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TICAI 2013-2014
TICs para el
Aprendizaje de la
Ingeniería
Editores
Inmaculada Plaza García Martín Llamas Nistal
TICs para el Aprendizaje de
la Ingeniería
Editado por:
Inmaculada Plaza García y Martín Llamas Nistal
(Capítulo Español de la Sociedad de Educación del
IEEE)
TICAI 2013-2014
ISBN: 978-84-8158-690-9
Índice
Introducción de los editores ---------------------------------------------------------------- i Capítulo 1 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 1 Enseñanza universitaria en redes sociales y aprendizaje autorregulado.
Estudio de caso.
Adriana GewercBarujel y Ana Rodríguez-Groba
Capítulo 2 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 13 DrMIPS - Ferramenta de ApoioaoEnsino e Aprendizagem de Arquitectura de
Computadores
Bruno Nova, António Araújo e João C. Ferreira
Capítulo 3 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 25 O ensino da álgebra linear em Portugal: padrões no uso da tecnologiaem
cursos de engenharia.
Ricardo Gonçalves e Cecília Costa
Capítulo 4 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 35 Declaración AENUI-CODDII por la inclusión de asignaturas específicas de
ciencia y tecnología informática en los estudios básicos de la enseñanza
secundaria y bachillerato.
Xavi Canaleta, Fermín Sánchez, Inés Jacob, Ángel Velázquez y Mercedes
Marqués
Capítulo 5 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 47 Evaluando la inclusión de elementos que afectan a la percepción en materiales
multimedia dirigidos a alumnos de Educación Primaria.
Óscar Navarro, Ana Isabel Molina y Miguel Lacruz
Capítulo 6 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 57 EvDebugger: Las gramáticas de atributos hechas fáciles.
Daniel Rodríguez-Cerezo, Pedro Rangel Henriques y José-Luis Sierra
Capítulo 7 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 67 Diseño y Programación de un Sistema Háptico Educacional basado en
Arduino.
Jorge Juan Gil, Iñaki Díaz, Xabier Justo, Pablo Ciáurriz y Ana López
Capítulo 8 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 79 MEMS: del Aula a la Wii.
Cecilia Gimeno, Carlos Sánchez-Azqueta, Santiago Celma y Concepción
Aldea
Capítulo 9 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 91Desarrollo de un entorno personal de aprendizaje basado en un laboratorioremoto para el estudio de instrumentación electrónica.Gabino Jiménez-Castillo, Catalina Rus-Casas, Francisco José Muñoz-Rodríguez, Juan Ignacio Fernández- Carrasco
Capítulo 10 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 101Web docente: Soporte para el aprendizaje activo con Instrumentación Virtual.Iñigo J. Oleagordia Aguirre, Mariano Barrón Ruiz, José I. Sanmartín Díaz
Capítulo 11 - ----------------------------------------------------------------------------------------- 113Entrando en pista. Despegando hacia la ruta de la innovación docente.Antoni Perez-Poch
i
Introducción de los editores Este volumen que ahora tienes en tus manos o en la pantalla del ordenador,
corresponde al octavo volumen de la serie de libros TICAI (TIC para el Aprendizaje de
la Ingeniería).
Esta serie de libros nació en el año 2006 con la idea de recopilar algunos de los
mejores trabajos presentados en los congresos de habla española y portuguesa en el
ámbito educativo, en concreto, aquellos que abordaban la utilización de las TIC en el
proceso de enseñanza-aprendizaje en la ingeniería. Ocho ediciones después se sigue
manteniendo este mismo objetivo.
Desde sus orígenes se trató de una iniciativa conjunta de los Capítulos Español y
Portugués de la Sociedad de Educación del IEEE. Por ello, dentro del amplio abanico de
la ingeniería, los trabajos se centran en las áreas de interés del IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers): Ingeniería Eléctrica, Tecnología Electrónica,
Ingeniería de Telecomunicación e Ingeniería Informática, principalmente.
Su finalidad última es dar a conocer los trabajos, aumentando su difusión, pero
también el mutuo conocimiento entre los autores y poder obtener una visión global de
los campos tratados, los avances conseguidos… permitiendo esa necesaria reflexión y
posterior debate sobre el camino recorrido y lo que falta por recorrer en la comunidad
docente universitaria, en concreto para aquellos que nos dedicamos a la ingeniería en los
ámbitos del IEEE.
Siguiendo este espíritu, se presenta una selección de trabajos recopilados de los
congresos:
- XV International Conference on Human Computer Interaction - Interaccion
2014, September 10-12, 2014. Puerto de la Cruz. Tenerife. Spain,
(http://interaccion2014.ull.es/).
- 1st International Conference of the Portuguese Society for Engineering
Education - CISPEE, 2013, 31 Octubre – 1 Noviembre, 2013, Oporto (Portugal),
con temática: "Education in Engineering: Challenges for Innovation",
(http://www2.isep.ipp.pt/cispee/).
- XX Jornadas sobre la Enseñanza Universitaria de la Informática - JENUI 2014,
9-11 Julio, Oviedo, España, (https://jenui2014.uniovi.es/).
- XVI Simposio Internacional de Informática Educativa - SIIE 2014, 12-14 de
Noviembre de 2014, Logroño, La Rioja, España,
(http://research.unir.net/siie2014/).
- XI Congreso de Tecnologías, Aprendizaje y Enseñanza de la Electrónica -
TAEE 2014, 11-13 Junio de 2014, Bilbao, España, (http://www.taee2014.es/).
ii
Esta recopilación no hubiera sido posible sin la inestimable colaboración de Carina
Soledad González González, Manuel Carlos Felgueiras, Gustavo Alves, Edmundo
Tovar, José Luis Sierra, Javier García Zubía, Ignacio Angulo y Jesús Arriaga. A
todos ellos muchas gracias.
A los editores les gustaría agradecer también al Consejo Social de la Universidad de
Vigo por la financiación que permitió la publicación de este volumen de TICAI.
Inmaculada Plaza García y Martín Llamas Nistal
Editores de TICAI 2013-2014
Capítulo 1
Enseñanza universitaria en redes sociales y
aprendizaje autorregulado. Estudio de caso.
Adriana Gewerc Barujel
Departamento de Didáctica y Organización Escolar
Universidad de Santiago de Compostela
Santiago de Compostela, España
Ana Rodríguez-Groba
Departamento de Didáctica y Organización Escolar
Universidad de Santiago de Compostela
Santiago de Compostela, España
Title – University teaching in social networks
and self-regulated learning. A case study.
Abstract - Social networks have become a new
form of fast and horizontal communication
which allow students to work in a new context
where they can create, share and collaborate
with friends. In that sense they have become
allied with self-regulated learning development
(SRL).
This paper presents a study analyzing an
experience at the University of Santiago de
Compostela, where Stellae Research Group
teachers worked on subjects from various
degree programs at the Faculty of Education in
an academic social network.
The proposed methodology involved the
elaboration of student e- Portfolios with a
personal space for their learning process to be
evidenced.
The study analyzed how these environments
enabled the development of student’sSRL.
Self- Regulated Learning (SRL) is a skill in
demand in the 21st century society. It aims for
individuals to address the need to “learn to
learn” successfully.
Knowledge is recognized to be the result of
interaction between individuals and the
environment, thus, revealing the importance
that context plays in teaching processes. As
discussed by Hadwin et al. [5] self-regulated
learning can be socially regulated through
activities supported by others (co- regulation) or
when individuals negotiate their perceptions,
objectives and strategies during shared tasks.
In this research,the following tools were used:
MSLQ questionnaire Pintrich. [3]; techniques of
social network analysis (SNA) in the framework
of Learning Analytics, and assessment
qualifications carried out by the teachers.
The results show that this type of teaching
methodology encouraged students to interact
and create a rich environment for developing
self- regulated learning skills. The students with
lowest scores on the initial questionnaire
moved to more central areas on the graphs of
network comments.
Keywords –Social networks, Learning Analytics,
Social-Self Regulated Learning.
Resumen –Las redes sociales se han convertido
en una nueva forma de comunicación rápida y
horizontal [1] que permite a los alumnos
trabajar en un contexto donde crear, compartir,
colaborar e interactuar con sus compañeros, y
se convierten en aliadas para el desarrollo del
Aprendizaje Autorregulado (AA).
En este trabajo se presenta el estudio de una
experiencia en la Universidad de Santiago de
Compostela con una metodología en la que el
alumnado elabora su e-Portfolio a través de una
Red Social académica. Se indaga acerca de
cómo el contexto social de la red incide en los
procesos de aprendizaje autorregulado que los
alumnos ponen en marcha. El AA es una de las
habilidades demandadas por la sociedad del
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
1
siglo XXI. Se trata de un proceso constructivo
en el cual la persona define sus objetivos y el
camino a seguir para alcanzarlos [2]. Se utilizó
el cuestionario MSLQ de Pintrich et al. [3];
técnicas de análisis de redes sociales (ARS) en el
marco de Learning Analytics y las calificaciones
de la evaluación procesual que llevan a cabo los
docentes de las materias.
Los resultados muestran que el tipo de
metodología utilizada en la enseñanza anima al
alumnado a interaccionar y generar un entorno
rico para que se desarrollen habilidades de
aprendizaje autorregulado. El alumnado que peor valoración obtuvo en el
cuestionario inicial se mueve hacia lugares más
centrales en los grafos de comentarios de la red.
Palabras clave –Redes sociales, Analítica del
Aprendizaje, Aprendizaje Socio/Autorregulado
I. INTRODUCCIÓN
En las condiciones socioeconómicas
contemporáneas se hace necesaria una formación
que, más allá de las fronteras de la educación
formal, posibilite la adquisición de habilidades que
permitan el aprendizaje a lo largo de la vida. Se
busca, por lo tanto, un modelo que intenta que los
alumnos sean aprendices activos [4], y
protagonistas responsables de su aprendizaje [5].
En ese contexto surge el concepto de aprendizaje
autorregulado que puede ser considerado como una
habilidad de los estudiantes para establecer por sí
mismos los objetivos que pretenden alcanzar y la
manera en que se llega a ellos [6]. Es una de las
principales metas que se deben conseguir en el
nivel universitario para que pueda distinguirse de
los demás niveles del sistema educativo [7] y una
de las habilidades demandadas en estos inicios del
siglo XXI. Como señalan Espuny, González,
Lleixà y Gisbert [8], las redes sociales pueden ser
herramientas que ayuden a conseguir este objetivo
a través de los métodos participativos que se
adoptan en el Espacio Europeo de Educación
Superior (EEES).
El contexto donde el estudiante pone en marcha
sus estrategias de aprendizaje autorregulado
influencia sus comportamientos, cognición y
motivación. De ahí que, cuando los espacios de
enseñanza y aprendizaje se utilizan para fomentar
las conexiones entre alumnos/as, entre ellos y
tutores o, entre una comunidad y sus recursos de
aprendizaje [9], la regulación acaba adquiriendo el
carácter no solo de “auto”, sino que también de
socialmente regulada.
En este trabajo se presenta una investigación que
analiza los procesos de socio-regulación del
aprendizaje del alumnado en una materia de la
Universidad de Santiago de Compostela. La
asignatura pretende que los alumnos desarrollen y
pongan en marcha estrategias de autorregulación
en una red social propia, donde las posibilidades
de compartir e interactuar le permiten la creación
de una comunidad de aprendizaje. Para analizar
esto se han utilizado: el cuestionario MSQL [3] y
algunas técnicas de análisis de redes sociales
enmarcadas en Learning Analytics. Los hallazgos
nos permiten poner de relieve la importancia del
contexto en la regulación del aprendizaje del
alumnado y el lugar que ocupa la colaboración en
su desarrollo.
En los siguientes apartados se exponen el referente
teórico- metodológico del estudio, así como su
discusión y resultados. Por último se presentan
conclusiones y propuestas a tener en cuenta para la
mejora de la enseñanza universitaria.
II. APRENDIZAJE
SOCIO/AUTORREGULADO
El proceso de regulación del aprendizaje se define
como un proceso activo y constructivo por el cual
el estudiante establece sus propios objetivos,
procurando monitorizar, regular y controlar sus
pensamientos, motivación y comportamiento de
acuerdo a dichos objetivos [2].
Los sujetos necesitan seleccionar, estudiar y crear
ambientes para optimizar el aprendizaje con
comportamientos que les conduzcan a alcanzar sus
objetivos. Se trata de actividades tales como buscar
información, preguntar y buscar consejos, tener un
lugar específico para el estudio, etc. [10]. La
cognición incluye procesos de percepción,
atención, cognición espacial, imaginación,
lenguaje, memoria, resolución de problemas,
creatividad, pensamiento e inteligencia [11].
Podemos considerar la motivación “como un
conjunto de procesos implicados en la activación,
dirección y persistencia de la conducta” [12] y
todos estos factores se encuentran fuertemente
influidos por el contexto donde interactúan y se
ponen en marcha. Ahora bien, éste último no es
solo un elemento que rodea a los aspectos
involucrados, sino que influye directamente en la
manera en que se desarrollan.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
2 ADRIANA GEWERC BARUJEL Y ANA RODRÍGUEZ GROBA
Desde la teoría socio-cultural [13] justamente se
llama la atención sobre el hecho fundamental que
ningún estudiante aprende aislado del ambiente y
las herramientas sociales [14] ya que el
conocimiento es el resultado de un proceso de
interacción entre el individuo y su entorno [13].
Si el aprendizaje es social y no se aprende al
margen de los demás, tiene sentido afirmar que la
regulación del mismo es también social, ya sea
influenciada por el contexto, a través de la
participación, o situada en los sistemas de
actividad [15], cuando las tareas de aprendizaje
que se realizan están apoyadas por otros, o cuando
se comparten tareas, percepciones, objetivos y
estrategias [16].
Por lo tanto, la autorregulación tiene lugar cuando
se realiza un trabajo de forma independiente,
cooperativo o colaborativo, que conduce a cambios
en los conocimientos, las creencias y las
estrategias de los individuos. Estos cambios, que
se trasladan a las nuevas tareas, tienen como
objetivo finalla adaptación personal de la actividad
reguladora [15].
Hadwin et al. [17] señala que la autorregulación
del aprendizaje puede llegar a ser socialmente
regulada a través de las actividades que se apoyan
en otros (co - regulación), o cuando los individuos
negocian sus percepciones, objetivos y
estrategiasen tareas compartidas.
La co-regulación se ha visto influida por la teoría
sociocultural, que hace hincapié en la apropiación
gradual que se produce al compartir problemas y
tareas comunes a través de las interacciones
interpersonales [18]. Los modelos sociocognitivos
señalan, desde este marco, que es el individuo el
que desarrolla su aprendizaje autorregulado, pero
éste es asistido y moldeado por el contexto.
Esta asistencia se concreta en los andamios [13],
aquellos elementos que ayudan a traspasar la Zona
de Desarrollo Próximo, superando la distancia
entre el nivel real, determinado por la capacidad de
un alumno para resolver independientemente un
problema y el potencial que posee. Los andamios
se caracterizan por ser propuestas que ayudan a la
resolución de un problema, bajo la guía de un
adulto o en colaboración con otros compañeros. El
intercambio de ideas, explicaciones, objetivos y las
actividades que se articulan entorno a una tarea,
contribuyen a las construcciones y
reconstrucciones de las habilidades consideradas
dentro del aprendizaje autorregulado [15].
Las redes sociales académicas se transforman en
entornos de trabajo que posibilitarían el desarrollo
de estas habilidades.
A)LAS REDES SOCIALES COMO CONTEXTO
PARA DESARROLLO SOCIAL- SRL.
Las redes sociales académicasse han convertido en
un nuevo escenario educativo, proyectando las
posibilidades que ofrece la web 2.0 y estimulando
a que el estudiante conecte con una comunidad
virtual de aprendizaje [19]. Se trata de redes
(Knowledge Networks) que promueven la
adquisición de la información y la construcción
conjunta del conocimiento [20]. Dos rasgos la
distinguen de otros tipos de comunidades: la
elección del aprendizaje como objetivo explícito
de la comunidad y el uso de las tecnologías
digitales para el ejercicio de la acción educativa
intencional [21]. Ahora bien, las posibilidades de
que esto se produzca depende del tipo de
enseñanza planteada, relacionando los tres
componentes básicos del triángulo didáctico: el
contenido que es objeto de enseñanza y
aprendizaje, la actividad del profesor/a y la de los
estudiantes [22].
La imperiosa necesidad de desarrollar habilidades
autorregulatorias no puede pensarse al margen de
estos componentes. Una propuesta de enseñanza
para este objetivo deberá apoyarse en actividades
que estimulen la toma de decisiones autónoma por
parte de los estudiantes, en un entorno rico en
interacciones que se transformen en pilares
adecuados para el logro de las competencias
requeridas. En las redes sociales académicas los
sujetos comparten información y son un nicho que
ayuda a la autorregulación, en la medida que la
exposición de las producciones de los
compañeros/as pueden transformarse en andamios
que ayuden a avanzar. Para esto es necesaria la
presencia docente [23] que apoye un trabajo en
profundidad alejado de los hábitos cognitivos que
pueden haberse generado en el contexto de las
redes sociales para el ocio [24] [25].
El trabajo con otros ayuda a crecer en diferentes
sentidos, de allí que las redes sociales académicas
puedan transformarse en un entorno ideal para la
creación de comunidades que apoyen el desarrollo
de habilidades socio-autorreguladas de los
estudiantes.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
ENSEÑANZA UNIVERSITARIA EN REDES SOCIALES Y APRENDIZAJE AUTORREGULADO. 3
III. PROPUESTA DE ENSEÑANZA Y
APRENDIZAJE SOCIO-
AUTORREGULADO
En este contexto es importante el papel de la red
social como marco de trabajo, pero no debe
escaparse que es fundamental tener en cuenta la
propuesta de enseñanza que enmarca y posibilita el
trabajo en la red,pues define, junto con las
características del alumnado, las posibilidades y
limitaciones en cuanto al desarrollo de las
estrategias de aprendizaje autorregulado (Figura
1).
En este apartado se describe la red social, sus
características y la propuesta de enseñanza en la
que se enmarcan esta investigación.
Fig. 1. Elementos que condicionan los procesos
de aprendizaje socio-autorregulado
A) EL CASO DE LA RED SOCIAL DEL GRUPO
STELLAE
Desde el año 2006, docentes del grupo de
investigación Stellae, trabajan en asignaturas de
diferentes titulaciones de la Facultad de Ciencias
de la Educación de la Universidad de Santiago de
Compostela con la plataforma de código abierto
ELGG, alojada en un servidor institucional
(htpp://stellae.usc.es/red).
Se trata de una red social que incluye foros de
discusión, blogs, micro-blogging en el espacio
central, detalles del perfil de usuario, listas de
amigos, pantalla de actividades, muro personal,
calendario, favoritos, páginas y la posibilidad de
realizar comentarios en las diferentes
contribuciones que hacen los compañeros. Cuando
un usuario añade un contenido en la plataforma
tiene la opción de seleccionar con quién quiere
compartirlo (privado, amigos, todos los usuarios de
la plataforma o público). Esto último posibilita que
el contenido pueda ser compartido, o que por el
contrario la visualización sea nula y se creen
espacios individuales.
Estas posibilidades se conectan con un encuadre
pedagógico que enmarca una propuesta para
apoyar el desarrollo del aprendizaje socio-
autorregulado [26]. Debe tenerse en cuenta que el
tipo de tarea y el contexto de aprendizaje moderan
el uso real de las herramientas tecnológicas que se
utilizan [27].
B) LA MATERIA Y SU PROPUESTA DE
ENSEÑANZA
En esta investigación analizamos el proceso de
socio- autorregulación del aprendizaje que realiza
el alumnado, durante el curso 2013-2014, de una
de las asignaturas que hace uso de la plataforma:
Tecnología Educativa.
Se trata de una materia troncal de 3º curso del
Grado de Pedagogía que utiliza la modalidad
Blended Learning, con clases presenciales
semanales en donde el alumnado vive experiencias
de discusión sobre las temáticas del programa o de
práctica con algún recurso concreto. Además, los
alumnos crean un espacio personal en la red social,
y a través de él se conectan con sus compañeros y
con los materiales de la asignatura. Se busca “el
desarrollo de la autonomía del estudiante, una meta
que es apoyada por una combinación de clases
presenciales y contextos en línea en los que el
maestro está jugando un apoyo” [28].
En el espacio personal el alumnado evidencia su
proceso de aprendizaje (e-portfolio). Esto les
induce a realizar una búsqueda que muestra cómo
han re-significado los conceptos trabajados en las
clases presenciales y a incorporar una entrada en el
blog, un archivo en el que integra sus reflexiones
producto de las clases y de las lecturas realizadas,
favoritos, tweets, etc. Este espacio es compartido
con los compañeros que forman parte de la red,
quienes pueden leer y comentar las aportaciones
que se realizan. De este modo, aunque las
evidencias que cada uno va recogiendo del proceso
son individuales, al ser expuestas públicamente en
el espacio “virtual”, se ven influenciadas en todo
momento por el contexto social en el que están
insertas. Se realizan también trabajos en pequeños
grupos en los que se coopera para el logro de un
producto compartido.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
4 ADRIANA GEWERC BARUJEL Y ANA RODRÍGUEZ GROBA
Este conjunto de elementos que configuran su
entorno personal es evaluado por las profesoras, a
través de una rúbrica presentada al inicio del curso,
en dos momentos: en la mitad del desarrollo de la
asignatura y al final. A pesar de que existen una
serie de trabajos obligatorios que deben cubrir en
la asignatura, cada alumno/a recorre su propio
camino, seleccionando temas y recursos que
complementan la formación. La propuesta de
enseñanza dejalibertad para que cada uno
seleccione y profundice en los temas que, a su
entender, sean más significativos, de aquellos
contenidos que se trabajan durante las clases
presenciales. Por eso cada espacio personal en la
red es diferente, ya que la selección se realiza en
función de los intereses, objetivos y experiencias
de cada uno.
Se parte de la idea de que cuanto menos
estructurada es la actividad, más estrategias de
aprendizaje se ponen en marcha, aspecto
fundamental del aprendizaje autorregulado [29].
Por lo tanto, se intenta no ofrecer pautas
específicas que constriñan este proceso, por el
contrario, se estimula la toma de decisiones
consciente. Y al mismo tiempo, es aprendizaje
colaborativo, porque los miembros del grupo
representan agentes interdependientes de
autorregulación, pero constituyen una entidad
social que crea posibilidades y limitaciones para el
grupo y compromiso individual [29].
De esta forma, el alumnado se enfrenta a
situaciones de aprendizaje social, donde se
plantean actividades colaborativas y espacios para
el intercambio que requieren el desarrollo de
procesos motivacionales, cognitivos y habilidades
socio-emocionales, distintas a las que tienen lugar
situaciones de aprendizaje muy estructuradas [30].
En la figura2, se ve el esquema que explica la
variación de la regulación cuando se pone en juego
en un entorno social. Sintetiza el proceso, tal como
es entendido en la asignatura, sobre todo teniendo
en cuenta cómo se pretende que los procesos
individuales se vean influidos por el contexto
social en donde se producen. El espacio central de
confluencia, señala el juego que marcan las
interacciones y que afecta a los individuos y sus
habilidades de regulación, en tanto que grupo, pero
también como miembros aislados.
La figura 3 representa a la red social, en la que el
aprendizaje autorregulado adquiere otro
significado, cuando se ve moldeado por el contexto
y la relación con los otros.
Fig. 2. Variación en regulación con corregulación
FIG. 3. La red social como contexto
IV. METODOLOGÍA
En la indagación acerca del aprendizaje socio-
autorregulado de los estudiantes de la asignatura
antes descrita, interesa analizar qué sucede en el
contexto de la red social, cómo se desarrolla el
proceso de intercambio que está estimulando los
procesos autorregulatorios y qué impacto puede
tener en el rendimiento del alumnado. Para ello, al
inicio del curso se ha aplicado el cuestionario
MSLQ elaborado por Pintrich et al. [3].
Los resultados del cuestionario han permitido
realizar un diagnóstico del punto de partida del
alumno en relación al aprendizaje autorregulado.
También se han utilizado herramientas de
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ENSEÑANZA UNIVERSITARIA EN REDES SOCIALES Y APRENDIZAJE AUTORREGULADO. 5
Analítica de Aprendizaje, específicamente de ARS
(Social Network Analysis) para observar las
variaciones de la red en cuanto a grado de
centralidad y densidad, tomando los comentarios
realizados a los compañeros. Por último se
relacionaron estos datos con los resultados
obtenidos durante la primera evaluación de la
asignatura.
El cuestionario MSQL (Motivated Strategies for
Learning Questionnaire) de Pintrich el al. [3] fue
traducido y adaptado al contexto de desarrollo de
la asignatura. Se trata de una herramienta para
evaluar las orientaciones motivacionales de los
estudiantes universitarios y el uso de las diferentes
estrategias de aprendizaje en la universidad.
Presenta 81 ítems que se dividen en dos secciones:
las estrategias de motivación (31) y las estrategias
de aprendizaje (50). Esta última sección se
subdivide, a su vez, en cuestiones que analizan
estrategias cognitivas, metacognitivas y la gestión
que los estudiantes hacen de los recursos de los
que disponen. Se ha adaptado la escala de
valoración, de 1 a 5, dos valores menos que la
escala original, con el objetivo de que el alumnado
fuese más preciso.
Por otro lado, con el objeto de sacar a la luz los
procesos de interacción que se producen en el
contexto de la red social, se utilizaron técnicas de
ARS (Social Network Analysis) (Long y Siemens,
2011) en el marco del Learning Analytics (LA).
LA consiste en "la medición, recopilación, análisis
y presentación de datos sobre los alumnos y sus
contextos, con el objetivo de entender y optimizar
el aprendizaje y los entornos en los que se
produce" (Learning Analytics and Knowledge
Conference, 2011). Permite la construcción de
sentido en torno a una serie de datos que por sí
solosnos ofrecen "medidas" o númerosy
posibilitándonos comprender cómo los alumnos se
desenvuelven en el proceso.
A través de software Ucinet y NetDraw se
construyeron grafos de interacciones (entendidas
como los comentarios que se realizan a las
aportaciones de los compañeros) y se analizaron
los siguientes parámetros:
Densidad de la red: es la proporción de
vínculos entre los nodos del grafo en relación
al total de vínculos posibles. Así, una red
donde todos los actores están vinculados con
todos los demás, diremos que tiene densidad
máxima. En las redes en las que unos actores
están vinculados, en función del momento, la
densidad irá variando. Este parámetro nos
indica la intensidad de la colaboración.
Centralidad de un nodo: indica su importancia
en la red social como consecuencia de las
relaciones. Una red centralizada tendrá un
conjunto de nodos relevantes que establecen un
gran número de relaciones. En este caso
muestran la noción de indegree y outdegree que
contabilizan las relaciones de entrada y salida
de un nodo, es decir, tanto los comentarios
realizados hacia el nodo (indegree) como los
realizados por ese nodo hacia otros compañeros
(outdegree).
Estos dos elementos permiten conocer de cerca
cómo funciona esta red, indagaren las
interacciones entre compañeros y en su evolución
a través del tiempo. Observar el alumnado que
permanece más alejado del proceso y a los que se
encuentran inmersos; identificar hacia dónde se
dirigen los miembros;y, por último, , conocerlos
procesos de aprendizaje socio- autorregulado que
se desarrollan en este espacio.
Nos interesa resaltar si existen variaciones en el
modo y número de interacciones que se dan en la
materia a lo largo del curso, indagando si apuntan
hacia una mejora de los procesos de socio-
autorregulación de la clase. Para ello se aplicaron
las técnicas de ARS en cuatro momentos (3º
semana, 5º semana, 10º semana y 16º semana). Por
último, se relacionaron estos resultados con las
calificaciones obtenidas por el alumnado.
V. RESULTADOS
El cuestionario MSQL se aplicó al iniciar el curso,
buscando obtener información sobre las
habilidades de aprendizaje autorregulado del
alumnado antes de comenzar el proceso, con el
objeto de implantar estrategias que favorecieran su
desarrollo. La tasa de respuesta fue del 72% (52
alumnos/as de 72). La media de las puntuaciones
obtenidas fue de 3,49 (transformada a una escala
del 1-7, se corresponde con 4,88). Investigaciones
precedentes en universidades de distintos países
que utilizaron el mismo cuestionario obtuvieron
una media de 4,97 en Argentina [32] y 4,90 en
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
6 ADRIANA GEWERC BARUJEL Y ANA RODRÍGUEZ GROBA
Navarra, España [33], lo que indica que no hay
diferencias significativas entre universidades.
Esto supone que el alumnado de nuestro caso se
encuentra en el nivel medio de desarrollo de las
habilidades de aprendizaje autorregulado. La
puntuación más baja ha sido de 4,06 y la más alta
de 5,99. Podríamos inferir que el alumno/a con la
puntuación más baja posee, por un lado, menor
motivación y por otro, que no tiene tan
desarrolladas estrategias organizativas, para pedir
ayuda a otros compañeros y profesores, de
aprovechamiento del tiempo, o mantenimiento del
esfuerzo, etc.
El uso de las herramientas de Learning Analytics
ha permitido generar grafos que evidencian una
red descentralizada con alta densidad de
interacciones, con un total de 2550 comentarios, lo
que indica la gran actividad que mantienen los 72
alumnos matriculados en la asignatura.
La red va disminuyendo en su grado de centralidad
(Tabla 1) y, en simultáneo, aumenta el grado de
densidad lo que implica que cada vez más
alumnos/as interactúan y contribuyen a que la base
de las interacciones se reparta entre muchos más
nodos, como vemos en la Tabla 1.
TABLA I
Índices de centralidad por semanas
TABLA II
Densidad por semanas
En el análisis de la centralidad de cada nodo, se
evidencia la tendencia a acercarse al centro del
grafo a medida que avanza el tiempo. Esto puede
interpretarse como avance de procesos de
autonomía al realizar comentarios en las
aportaciones de los compañeros y contribuir a la
densidad de la red.
Por otro lado, el alumnado que ha recibido mayor
puntuación en el cuestionario, al iniciar el proceso,
y que por lo tanto considera que tiene amplio
desarrollo de habilidades autorreguladas, se
mantiene en el centro del grafo desde el inicio y
hasta la semana 16 (figuras 4, 5, 6 y 7). Mientras
tanto, muchos de los alumnos que en el
cuestionario obtuvieron la puntuación más baja,
semanas después han aumentado su participación,
como puede observarse en las figuras y datos. La
proporción de las interacciones de la red crece a un
ritmo constante con una clara tendencia de los
nodos a dirigirse hacia el centro aportando
densidad a la red. Se han considerado como bajas
las puntuaciones de los 10 alumnos con peor
resultado en el MSLQ, este número responde al
19% del total del alumnado (Tabla 3).
TABLA III
Grupos establecidos según resultado MSLQ
MSLQ
Bajo
MSLQ
Medio
MSLQ
Alto
Porcentaje seleccionado
19% 64% 17%
Número de
alumnos/as 10 33 9
Puntuaciones
obtenidas
X
2.91>X<3,27 3,28>X<3,79 .8>X<4.29
En los grafos representados (figuras 4, 5, 6 y7) se
han pintado de colores (verde, naranja, gris,
marrón y rosa) cinco de los alumnos que más baja
puntuación alcanzaron, mostrando cómo van
acercándose al centro del grafo e incrementando el
número de sus interacciones. Podemos observar
que aquellos que se encontraban en los márgenes
de esta red, se van acercando al núcleo del grupo-
clase virtual, siendo en la figura 5 donde se ve que
se cómo se han integrado.
Semana (Outdegree) (Indegree)
3º 81.966% 11.162%
5º 80.549% 14.437%
10º 79.030% 13.420%
16º 65.059% 14.374%
Semana Densidad
3º 5.640
5º 8.047
10º 8.409
16º 25.297
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
ENSEÑANZA UNIVERSITARIA EN REDES SOCIALES Y APRENDIZAJE AUTORREGULADO. 7
FIG. 4. Mapa interaccione: semana 3
FIG. 5. Mapa interaccione: semana 5
FIG. 6. Mapa interaccione: semana 10
FIG. 7. Mapa interaccione: semana 16
En la siguiente tabla (tabla IV) podemos observar
los porcentajes relacionados con el grado de
centralidad de la red según los 5 casos
seleccionados (aproximando números enteros en
los casos en los que había más de 1%).
TABLA IV
Alumnos con baja puntuación MSLQ.
Centralidad en distintas semanas *Outdegree **Indegree
Debe señalarse también, que a medida que pasan
las semanas del curso aumenta el número de nodos
e interacciones, de 49 nodos en la 3º semana, a 65
en la semana 16, entendiendo que los 7 restantes
(pues son 72 alumnos los matriculados en la
asignatura) pueden, o bien haber abandonado la
materiano formando parte de la plataforma, o no
haber interactuado hasta el momento con ningún
compañero.
Las relaciones entre los datos extraídos en el ARS
con las calificaciones resultantes de la evaluación
procesual, que realizaron los docentes de la
asignatura, muestran que existe relación entre las
calificaciones del alumnado y el sitio que ocupa en
Alumno
MSQL
Semana
3
Semana
5
Semana 10
Semana
16
1 3,1 0.4*/0.11** 41*/9**
40*/9** 33*/10
2 3,2 0.16*/0.10*
*
15*/12
**
21*/13*
*
19*/1
7
3 3,2 0*/0.18** 0*/19**
0*/18** 18*/28
4 3,2 0*/0.12** 0*/15*
*
0*/15** 0*/19
**
5 3,2 0*/0.14** 0*/19**
0*/18** 6*/31**
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
8 ADRIANA GEWERC BARUJEL Y ANA RODRÍGUEZ GROBA
el grafo. No todos los alumnos que se encuentran
representados en el centro son los que mejores
notas poseen. Pero aquellos que se encuentran en
los márgenes más externos se corresponden en su
gran mayoría, con aquellos que peores notas
poseen en la materia.
Sin embargo, a medida que avanza la materia, las
posiciones de estos alumnos tienden a ser más
céntricas, por lo que podría entenderse que la
materia ayuda a los alumnos que peor se
desenvolvían en sus inicios, a poner en marcha
estrategias para mejorar, la que aquí se recoge
tiene que ver con la interacción con sus
compañeros/as. Debe resaltarse además que en la
última semana analizada todos los alumnos han
recibido algún comentario (no existe el 0%
indegree) aunque no todos los estudiantes son
igual de activos a la hora de iniciar o responder a
esas interacciones.
VI. CONCLUSIONES
Como señalan las investigaciones, la regulación
del aprendizaje individual y social depende de la
situación, de las características individuales, el
papel del contexto, el tipo de tarea y el apoyo que
reciban [27].
El estudio realizado ha puesto de relieve que las
redes sociales posibilitan el desarrollo de
habilidades de aprendizaje autorregulado en un
contexto donde la participación, entendida a través
de los comentarios, puede ser fundamental. La
relación entre las creencias que tiene el alumnado
sobre sus estrategias de motivación y aprendizaje y
el proceso de enseñanza desarrollado, ha
evidenciado que aquellos que tienen una mejor
valoración en el cuestionario (MSLQ) tienden a
establecer más conexiones con otros, situándose en
el centro del grafo a medida que avanza la
asignatura. Esto indica que se utilizan estrategias
de apoyo con otros compañeros, al mismo tiempo
que ofrece nuevas evidencias acerca del valor de la
dimensión social en el proceso de autorregulación
del aprendizaje. En este sentido, se ha detectado
que a través de la propuesta de enseñanza y
aprendizaje planteada, los alumnos que menos
habilidades poseían al inicio, comienzan a
desarrollar estrategias socio-reguladoras
apoyándose en los otros (Figura 1), que se
transforman en andamios para la mejora de su
propio proceso. Podría indicarse que las estrategias
de los alumnos que se encontraban más débiles
(según el cuestionario), comienzan a fortalecerse
en una metodología de enseñanza donde el alumno
es el protagonista [28].
Por otro lado, existe relación entre la posición en el
grafo y los índices sobre los que se asienta, y las
calificaciones obtenidas en la evaluación de
proceso. Aquellos que se sitúan en los bordes del
grafo obtienen baja calificación porque no poseen
estrategias socio-autorreguladoras tales como,
pedir apoyo y ayuda de otros compañeros,
interactuar, etc. La co-regulación del aprendizaje
implica la reconstrucción de la propia regulación,
incorporando habilidades aún más complejas [29],
por este motivo el alumno con menos estrategias
podría tardar en sumergirse en el entorno y
comenzar a nadar hacia el centro de este
entramado.
A lo largo de las semanas ha aumentado la
interacción entre los nodos, construyendo una red
más descentralizada y unida donde el
protagonismo está dividido entre muchos de sus
actores. Se puede interpretar que la propuesta
metodológica propicia las interacciones, pues
ningún alumno permanece totalmente aislado en
una red que mantiene viva su dimensión “social”.
Los andamios entre el alumnado tienen cabida en
esta madeja de interrelaciones donde la regulación
social del aprendizaje adquiere todo su sentido.
Además de las conclusiones que se extraen de este
análisis, se considera interesante hacer algunas
observaciones de cara a la mejora de la enseñanza
y el aprendizaje en la Educación Superior:
o Las relaciones observadas entre el número de
interacciones y la mejora de los resultados,
evidencian, una vez más, la importancia de la
dimensión social en el aprendizaje
[13].Romper con el aislamiento del alumnado y
aprovechar las posibilidades que nos ofrece el
trabajo colaborativo debe ser uno de los
objetivos de la enseñanza universitaria.
o Las redes sociales académicas son espacios
apropiados para el trabajo en habilidades de co-
regulación. Sin embargo, el trabajo en este
entorno exige tener en cuenta la propuesta
metodológica que limita o posibilita estos
aspectos.
o La enseñanza tendría que abogar por un
alumnado protagonista de su aprendizaje que
pueda no sólo seguir el camino marcado, sino
crear el propio, con el apoyo del docente y el
de sus compañeros.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
ENSEÑANZA UNIVERSITARIA EN REDES SOCIALES Y APRENDIZAJE AUTORREGULADO. 9
o Trabajar en la mejora del aprendizaje socio-
autorregulado de nuestros alumnos debería ser
más que una opción. Capacitarlos para
“aprender a aprender” es quizás como dijo
Weinstein [34]la meta más importante de la
educación universitaria.
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Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
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College Teaching: Theory and Applications, Ed.
Prichard K.W y Sawyer, M. EE.UU: Greenwood
Press, pp.375-385,1992.
Adriana Gewerc Barujel nació
en Córdoba, Argentina. Es
licenciada en Ciencias de la
Educación por la Universida de
Nacional de Córdoba-Argentina
(1982) y Doctora en
Pedagogía(1998) por la
Universidad de Santiago de
Compostela. Forma parte del
grupo de investigación Stellae.
Actualmente trabaja como profesora titular en esta universidad
impartiendo las asignaturas Tecnología Educativa y
Multimedia y Software Educativo. Es coordinadora del Grado
de Pedagogía de la Facultad de Ciencias de la Educación y
Directora del Departamento de Didáctica y Organización
Escolar.
Sus líneas de investigación se centran en la problemática y el
significado de la integración de las tecnologías en las
organizaciones educativas y sus implicaciones en la enseñanza.
En ese contexto en el último tiempo explora para la docencia y
la investigación, la utilización de nuevos entornos de enseñanza
y aprendizaje.
Ha dirigido tesis doctorales sobre estas temáticas y tiene libros
y artículos publicados que evidencian el trabajo realizado en
estos años.
Ana Rodríguez-Groba nacida en
O Porriño, Galicia. Es licenciada en
Pedagogía (2007-2011) y
Psicopedagogía (2011-2013) por la
Universidad de Santiago de
Compostela. Realizóun Máster en
Procesos de Formación (2012-
2013). Su participación en la
investigación comenzó con un
proyecto para la inserción de las
TIC en universidades
latinoamericanas.
Actualmente realiza su Doctorado en Educación con una beca
de Formación para el Profesorado Universitario,
especializándose en el aprendizaje autorregulado en redes
sociales, con dos estudios de caso en universidades gallegas.
Forma parte del grupo de investigación Stellae de la USC y se
encuentra inmersa en proyectos que trabajan sobre la formación
de los maestros en el Grado y la mejora de la evaluación
cuando se utilizan redes sociales.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
ENSEÑANZA UNIVERSITARIA EN REDES SOCIALES Y APRENDIZAJE AUTORREGULADO. 11
Capítulo 2
DrMIPS -Ferramenta de Apoio ao Ensino e
Aprendizagem de Arquitectura de Computadores
Bruno Nova
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Porto, Portugal
António Araújo e João C. Ferreira
INESC TEC e Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto
Porto, Portugal
Title – DrMIPS - Tool to Support Computer
Architecture Teaching and Learning
Abstract –Computer architecture is an impor-
tant subject in informatics and electrical engi-
neering courses. However, students display
some difficulties in this subject, mainly due to
the lack of educational tools that are intuitive,
versatile and with a graphical interface. Exist-
ing tools are not adequate enough or are very
specific. In this paper, an educational MIPS
simulator, DrMIPS, is described. This tool si-
mulates the execution of an assembly program
on the CPU and displays the datapath graphi-
cally. Registers, data memory and assembled
code are also displayed and a performance
analysis mode is also included. Both unicycle
and pipeline implementations are supported
and the CPUs and their instruction sets are
configurable. The tool is open source and is
currently available for PCs and Android devic-
es, and is fairly intuitive and versatile on both
platforms.
Keyworks –MIPS; Simulator; Computer Archi-
tecture teaching
Resumo – Arquitectura de Computadores é
uma disciplina importante nos cursos de
engenharia informática e electrotécnica.
Contudo, os estudantes demonstram algumas
dificuldades nesta disciplina, principalmente
devido à falta de ferramentas educativas de
apoio que sejam intuitivas, versáteis e com
interface gráfica. As ferramentas existentes não
são suficientemente adequadas ou são
demasiado específicas. Neste artigo é descrito
um simulador educativo do MIPS, o DrMIPS.
Esta ferramenta simula a execução de um
programa em assembly no CPU e mostra o
caminho de dados graficamente. Registos,
memória de dados e código máquina são
também mostrados e um modo de análise de
desempenho é também incluído. Ambas as
implementações, uniciclo e pipelined, são
suportadas e as versões do CPU e respectivas
instruções são configuráveis. A ferramenta tem
o código fonte aberto e está actualmente
disponível para PCs e dispositivos Android, e é
bastante intuitiva e versátil em ambas as
plataformas.
Palavras-chave –MIPS; Simulador; Ensino de
Arquitectura de Computadores
I. INTRODUÇÃO
A. Motivação
A Arquitectura de Computadores é uma
disciplina importante no plano de estudos dos
cursos de Engenharia Informática e Engenharia
Electrotécnica, como o Mestrado Integrado em
13
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
.
Engenharia Informática e Computaçãoe o
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica
e de Computadores daFaculdade de Engenharia da
Universidade do Porto (FEUP). Nesta disciplina os
estudantes adquirem os fundamentos sobre
computadores e seus processadores, aprendendo
tópicos como representação de dados, circuitos
digitais, composição de um CPU, programação em
assembly e desempenho de processadores.
Muitos estudantes demonstram dificuldades em
entender vários assuntos desta disciplina, como
processadores com pipeline e cálculo do
desempenho de um processador. Uma razão para
estas dificuldades está na ausência de ferramentas
que possam,num ambiente integrado,apoiaro
tratamento de vários tópicos de processadores de
uma forma orientada para o ensino.
Especificamente, detetou-se a falta de ferramentas
que permitam aos estudantes ver graficamente a
composição do caminho de dados de um CPU,
consultar informações detalhadas sobre os dados à
entrada e à saída de cada bloco funcional e
observar os estados dos sinais de controlo para
cada instrução executada pelo CPU, entre outras
informações.
Existem várias ferramentas criadas para
simular a operação de um CPU, e algumas delas
contêm interfaces gráficas para mostrar o caminho
de dados do CPU. Porém, a maioria delas é pouco
adequada para fins educativos, são difíceis de usar
e entender ou são direccionadas para um problema
específico,sendo pouco versáteis.
B. Objectivos
O objectivo principal do trabalho apresentado
foi criar uma ferramenta de apoio ao ensino e
aprendizagem de arquitectura de computadores.
Esta ferramenta educativa é um simulador do
MIPS [1], que é um processador bastante
conhecido na comunidade académica de
arquitectura de computadores e também um dos
processadores mais usados no ensino de disciplinas
de arquitectura de computadores em universidades
[2].
Este simulador foi desenvolvido no âmbito de
uma Dissertação de Mestrado do MIEIC na
FEUP.O seu desenvolvimento foi baseado nos
seguintes requisitos:
Permitir a configuração e parametrização do
CPU;
Permitir a simulação passo-a-passo de
programas MIPS em assembly;
Mostrar graficamente o caminho de dados e
os valores nas entradas e saídas de cada
componente;
Simular ambas as versões uniciclo e pipelined
do CPU;
Ter um “modo de desempenho” que mostre
as latências e o caminho crítico do CPU;
Ser versátil, intuitivo e simples de utilizar.
Em termos de apoio, pretende ajudar os
estudantes a melhor entender:
A composição e funcionamento de um
caminho de dados “simples”;
Como as instruções são codificadas;
Os valores dos sinais no caminho de dados;
Blocos e sinais relevantes para cada
instrução;
Pipelining, conflitos, atalhos e protelamentos,
Medição de desempenho e identificação do
caminho crítico.
A ferramenta foi desenvolvida principalmente
para computadores pessoais, mas uma versão para
dispositivos Android, especialmente tablets,
também foi criada.
O resto deste artigo está organizado em secções
que a seguir se descrevem. A Secção II apresenta o
estado da arte descrevendo os simuladores
educativos mais relevantes. A Secção III explica
como o código da ferramenta foi estruturado e
como a lógica de simulação foi implementada. A
Secção IV apresenta e detalha a implementação da
interface gráfica. Por último, a Secção V refere as
conclusões e discute possível trabalho futuro.
II. ESTADO DA ARTE
Tal como referido anteriormente, existem
várias ferramentas que simulam o funcionamento
de um CPU, e algumas até apresentam a
composição do caminho de dados graficamente.
Contudo, a maioria delas não são vocacionadas
para instruir estudantes em disciplinas de
arquitectura de computadores, são demasiado
difíceis para um estudante usar ou focam-se num
problema muito específico à margem do
pretendido. Esta secção apresenta os simuladores
14 BRUNO NOVA, ANTONIO ARAÚJO E JOÃO C. FERREIRA
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
educativos mais relevantes, bem como as suas
vantagens e desvantagens.
O QtSPIM (anteriormente chamado SPIM) [3]
é um simulador com o código-fonte aberto, escrito
em C++ e Qt, que executa programas MIPS32. Foi
bastante utilizado, tanto no ensino como na
indústria [4], e suporta um grande número de
instruções MIPS, incluindo chamadas de sistema e
operações de vírgula flutuante [5]. A ferramenta é
boa para depurar programas MIPS em assembly e é
razoavelmente intuitiva, mas simula somente a
versão uniciclo do CPU. Também não permite a
visualização gráfica do caminho de dados nem
possui um editor de código integrado.
O simulador MARS [4], desenvolvido em Java,
é usado em disciplinas de arquitectura de
computadores em muitas universidades por todo o
mundo. Ele simula a execução de um programa
MIPS em assembly, mostrando os resultados e os
valores dos registos e memória no ecrã. A
simulação pode ser executada passo-a-passo ou de
uma só vez. O conjunto de instruções suportado
inclui operações de vírgula flutuante, chamadas de
sistema e várias pseudo-instruções. O MARS é
também um IDE que inclui um editor com realce
de sintaxe e muitos tópicos de ajuda. A ferramenta
é bastante boa para simular e depurar programas
MIPS em assembly. Contudo, apenas simula a
versão uniciclo do CPU e não mostra o caminho de
dados graficamente. O MARS suporta plugins. Um
destes é o MIPS X-Ray [6], que apresenta
graficamente o caminho de dados uniciclo do
MIPS, assim como as ligações e componentes
relevantes para as instruções.Aexecução destas é
apresentada recorrendo a animações.
O ProcSim [7] é uma ferramenta desenvolvida
em Java que simula o CPU uniciclo MIPS R2000.
O código assembly é executado e mostrado
graficamente como uma animação no caminho de
dados. A ferramenta inclui vários caminhos de
dados diferentes e o utilizador pode criar outros.
Um editor de código muito simples é também
fornecido. O ProcSim fornece uma boa
visualização do caminho de dados. Contudo,
suporta um pequeno conjunto de instruções MIPS
e somente um componente pode enviar mensagens
ao mesmo tempo durante a simulação,
apresentando as animações sequencialmente por
componente, enquanto num processador real os
componentes funcionam concorrentemente [8].
Para além disso, não suporta caminhos de dados
pipelined.
O MIPS-Datapath [9], desenvolvido em C++, é
um programa de código-fonte aberto que simula
um conjunto de instruções MIPS e apresenta a
execução graficamente no caminho de dados. Ele
consegue simular não só um caminho de dados
uniciclo mas também a versãopipelined, com ou
sem atalhos. As instruções são executadas passo-a-
passo e as ligações relevantes para a instrução
seleccionada são realçadas. Um editor de código
muito simples é também fornecido. O MIPS-
Datapath permite visualizar como cada instrução é
executada pelo processador. Porém, ele suporta um
conjunto de instruções muito limitado, não suporta
protelamentos no pipeline e não permite que o
caminho de dados seja configurado.
O WebMIPS [10] é um simulador educativo do
MIPS que pode ser executado através de um
navegador Web e, portanto, a partir de qualquer
sistema, sem instalação. Foi escrito em ASP e
simula um pipeline de cinco etapas com resolução
de conflitos, tendo sido usado numa disciplina
introdutória de arquitectura de computadores em
Itália. A aplicação fornece um editor simples de
código,podendo este ser executado passo-a-passo,
mostrando também uma representação gráfica do
caminho de dados. Apesar de ser um bom
simulador educativo, tem algumas lacunas. A
simulação da versão uniciclo do MIPS não é
possível e a representação gráfica do caminho de
dados é estática, mostrando os dados nas
entradas/saídas apenas após um clique.
O EduMIPS64 [11] é um simulador educativo
que executa programas MIPS64. A ferramenta foi
usada em alguns cursos de graduação para a
avaliar e os resultados foram positivos, tanto em
termos de percentagem de sucesso [12] como em
termos de apreciação dos estudantes [13]. Este
simulador foi baseado no WinMIPS64 [14] e no
WinDLX e foi desenvolvido em Java. A
ferramenta simula um CPU MIPS64 com 5 etapas
de pipeline, suporta um número bastante razoável
de instruções, incluindo operações em vírgula
flutuante, chamadas de sistema e resolução de
conflitos. A interface é intuitiva, mas nenhum
editor de código é fornecido, não suporta a
simulação do CPU uniciclo e não possui uma
representação detalhada do caminho de dados.
DrMIPS - FERRAMENTA DE APOIO AO ENSINO E APRENDIZAGEM DE ARQUITECTURA ... 15
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
.
A Tabela I sumariza as ferramentas
apresentadas. PSrepresenta o ProcSim,
MDrepresenta o MIPS-Datapath, WMrepresenta
oWebMIPS e EMrepresenta o EduMIPS64.
Adicionalmente, Parc. significa que a ferramenta
suporta a funcionalidade parcialmente e
Simpl.significa, para a funcionalidade Caminho
dados gráf., que a ferramenta apresenta um
diagrama de blocos muito simples. A tabela mostra
que seria necessário utilizar mais do que uma
ferramenta para cobrir os vários tópicos de
arquitectura de computadores, o que seria pouco
prático e intuitivo para estudantes e professores.
Para Android foi encontrado apenas um
simulador do MIPS, o Assembly Emulator [15],
sendo um simulador relativamente básico e que,
durante a simulação, apenas apresenta as
instruções que estão a ser executadas e os valores
dos registos. Como tal, uma versão do simulador
desenvolvido para tablets Android constitui um
importante contributo, tendo em consideração que
os tablets Android estão-se a tornar bastante
populares [16], [17].
TABELA I
COMPARAÇÃO DAS FERRAMENTAS APRESENTADAS
SPIM MARS PS MD WM EM
Código
aberto Sim Sim Não Sim Sim Sim
Editor de
código Não Sim Sim Sim Sim Não
Realce de
sintaxe Não Sim Não Não Não Não
Uniciclo Sim Sim Sim Sim Não Não
Pipeline Não Não Não Parc. Sim Sim
Vírgula
flutuante Sim Sim Não Não Não Sim
Chamadas
de sistema Sim Sim Não Não Não Sim
Editar
dados na
execução
Sim Sim Não Não Não Sim
Caminho
dados gráf. Não Não Sim Sim Parc. Simpl.
Config.
cam. dados Não Não Sim Não Não Não
Escrito em C++,Qt Java Java C++ ASP Java
III. IMPLEMENTAÇÃO DO
SIMULADOR
O simulador DrMIPS fornece várias versões de
caminhos de dados do MIPS, baseados em [1],
incluindo o caminho de dados uniciclo com
algumas variantes simplificadas e o caminho de
dados pipelined, com ou sem resolução de
conflitos. Estes CPUs podem ser criados e
configurados especificando num ficheiro as
propriedades de todos os componentes e as
ligações entre eles. Além dos caminhos de dados,
os respectivos conjuntos de instruções podem
também ser configurados, e outros podem ser
criados, especificando as propriedades dos
diferentes tipos de instruções, instruções e pseudo-
instruções e o que elas fazem. Operações de
vírgula flutuante e chamadas de sistema não são
actualmente suportadas.
O simulador foi implementado não só para PC
mas também para dispositivos Android,
especialmente tablets. Por essa razão, o simulador
foi desenvolvido em Java. Isto tornou a adaptação
de código da versão para PC para a versão Android
e vice-versa fácil, visto o Android também usar
Java, e torna também a versão para PC compatível
com a maioria dos sistemas operativos sem esforço
adicional. A interface gráfica suporta também
múltiplos idiomas. De momento, apenas Português
e Inglês estão disponíveis. Quanto ao ambiente de
desenvolvimento, para a versão para PC foi
escolhido o Netbeans, uma vez que facilita a
criação de interfaces gráficas; já para a versão para
Android foi escolhido o Eclipse, visto ser o
recomendado pela Google [18].
Para facilitar o desenvolvimento de ambas as
versões, o código foi dividido em duas partes: a
lógica de simulação e a interface gráfica. Com esta
divisão, apenas a interface gráfica depende da
plataforma (PC ou Android), enquanto a lógica de
simulação é exactamente a mesma em ambas. A
Fig. 1 mostra um diagrama de classes UML do
simulador simplificado.
O código da lógica de simulação corresponde
ao pacote simulator, enquanto o código da
interface gráfica corresponde ao pacote gui. O
pacotesimulator é composto por vários sub-
pacotes, nomeadamente:
mips: contém o simulador do MIPS;
mips.components: pacote interno que
define todos os tipos de componentes;
util: contém algumas classes utilitárias;
exceptions: contém as classes de
excepções.
O resto desta secção expõe os detalhes da
implementação da lógica de simulação, enquanto a
secção IV apresenta os detalhes das interfaces
gráficas de ambas as versões.
16 BRUNO NOVA, ANTONIO ARAÚJO E JOÃO C. FERREIRA
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
A. Definição do CPU
Cada CPU é definido num ficheiro JSON.
JSON é um formato que pode ser analisado
facilmente em Java e em Android. É também fácil
de ser lido/escrito peloutilizador e resulta em
ficheiros mais pequenos do que outros formatos
como XML. Um ficheiro CPU lista os
componentes e suas propriedades, as ligações entre
eles, o nome de cada registo e o conjunto de
instruções usado (descrito na subsecção seguinte)
No código, como mostrado na Fig. 1, a classe
CPU é a parte central do simulador. Ela permite o
acesso a todos os seus componentes, ao conjunto
de instruções e ao assembler, e é a “interface” que
a interface gráfica usa para gerar o código máquina
a partir do código fonte, executar instruções, obter
valores e latências, etc. É também onde os
ficheiros JSON do CPU são carregados e
interpretados.
Um CPU é composto por vários componentes.
A classe Component é a classe base para todos
os componentes. Cada componente é derivado
desta classe, tendo de definir as suas propriedades
e implementar execute(), onde o seu
comportamento é definido, usando os valores nas
entradas para definir os valores correctos nas
saídas. Um componente tem entradas e saídas,
definidas respectivamente por Input e Output.
Cada saída está ligada a uma entrada de outro
componente. Portanto, o CPU é representado por
um grafo.
Alguns dos componentes são síncronos, como
o contador do programa e o banco de registos, por
exemplo. Estes componentes têm um estado
interno que apenas pode ser alterado durante a
transição do sinal de relógio. Em termos de código,
estes componentes implementam a interface
IsSynchronous, tendo depois de implementar
o método executeSynchronous(), em que é
definido o comportamento síncrono que altera o
Fig. 1. Diagrama de classes UML do simulador
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.
seu estado interno. Adicionalmente, para permitir
que o utilizador volte atrás durante a execução, os
estados internos são guardados em cada ciclo de
relógio numa pilha, e alguns métodos adicionais
para guardar e restaurar estes estados foram
implementados.
Durante a execução de código, cada ciclo de
relógio começa pela execução dos
comportamentos síncronos dos componentes,
prosseguindo depois para a execução dos
comportamentos “normais” dos componentes.
Durante este processo, os valores nas saídas são
actualizados. Quando isto acontece, os novos
valores nas saídassão propagados para as entradas
ligadas a si, as quais executam o comportamento
“normal” dos respectivos componentes,
prosseguindo a propagação de dados. Isto acontece
apenas quando o novo valor é diferente do
anterior, de forma a evitar ciclos infinitos que
resultariam desta solução. Isto significa também
que o comportamento síncrono dos componentes
não pode causar qualquer propagação de dados.
Relativamente ao desempenho do processador,
ele também é determinado usando propagação.
Cada componente tem a sua latência individual de
funcionamento e uma latência acumulada, que é o
tempo decorrido desde o início do ciclo até o
componente gerar as saídas correctas. As entradas
também guardam a latência acumulada. O cálculo
das latências acumuladas tem início nos
componentes síncronos,sendo propagadas até às
entradas que são usadas apenas pelos
comportamentos síncronos (como a entrada
WriteData do banco de registos). O caminho
crítico é, posteriormente, calculado para trás a
partir da entrada ou entradas com a maior latência
acumulada. O simulador também é capaz de
determinar o caminho crítico de uma instrução em
execução. Neste caso, os sinais de controlo nas
entradas de alguns componentes, como
multiplexadores e memória de dados, são usados
para determinar quais as entradas e os
componentes que são irrelevantes para a instrução
actual e que por isso não devem entrar no caminho
crítico.
Em relação à versão pipelined do CPU MIPS,
ela tem de ter exactamente cinco etapas e,
portando, quatro registos a separá-las. Estes
registos, mais o contador do programa, são usados
para determinar quais as instruções que se
encontram em cada etapa do pipeline, verificando
também os seus sinais de controlo Write e
Flush. Isto é necessário devido aos conflitos que
podem ocorrer. Tanto uma unidade de detecção de
conflitos como uma unidade de atalhos foram
implementadas, e os seus comportamentos foram
baseados em [1].
Em cada ciclo de relógio, cada ligação pode ser
marcada como “irrelevante” (a cinza na interface
gráfica) ou relevante. Esta decisão é baseada
apenas nos valores nas ligações e componentes, e
não na instrução. Seria bastante difícil de
determinar as ligações e componentes relevantes
para cada instrução quando o CPU e até o conjunto
de instruções são muito genéricos e configuráveis.
Assim, as condições para marcar uma ligação
como irrelevante são muito simples: a ligação
transporta 1 bit com o valor zero, um protelamento
está a ocorrer, a ligação não é seleccionada por um
multiplexador, etc.
B. Definição do Conjunto de Instruções
Tal como o CPU, cada conjunto de instruções é
definido num ficheiro JSON. Um ficheiro de
instruções lista os tipos de instruções, as
instruções, as pseudo-instruções e suas
propriedades, e também especifica como a unidade
de controlo, a ALU e o controlador da ALU
funcionam.
A classe principal que define o conjunto de
instruções é InstructionSet e é acessível
através do CPU(Fig. 1). Esta classe carrega e
interpreta o conjunto de instruções do ficheiro
especificado no ficheiro CPU, e fornece acesso a
todos os tipos de instruções, instruções, pseudo-
instruções e definições de controlo.
Um conjunto de instruções tem várias
instruções diferentes. No caso do MIPS, que é uma
arquitectura Reduced Instruction Set Computer
(RISC), todas as instruções têm o mesmo tamanho.
Cada instrução pertence a um tipo e, para o MIPS,
isso significa R, I ou J. Os 32 bits que compõe o
código da instrução são divididos em campos. Os
campos são diferentes para cada tipo, excepto o
campo opcode, que é comum e formado pelos 6
bits mais significativos. InstructionType é a
classe que representa essa informação.
O caminho de dados implementado mais
completo suporta as seguintes instruções: nop,
18 BRUNO NOVA, ANTONIO ARAÚJO E JOÃO C. FERREIRA
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add, sub, and, or, slt, addi, lw, sw, beq, j,
nor, xor, mult, div, mfhi e mflo. Este
caminho de dados inclui também as seguintes
pseudo-instruções: li, la, move, subi, sgt,
neg, bge, ble, b, not, mul e rem.
As instruções e as pseudo-instruções são
representadas pelas classes Instruction e
PseudoInstruction, respectivamente. Cada
instrução pertence a um tipo, tem uma mnemónica
e define o número e tipo de argumentos, os valores
de cada campo (que podem vir de um argumento)
e uma descrição simbólica que pode ser vista pelo
utilizador. Cada pseudo-instrução tem uma
mnemónica e define o número e tipo de
argumentos, as instruções na qual é convertida
durante a geração do código máquina e uma
descrição simbólica. No simulador desenvolvido,
cada mnemónica pode pertencer apenas a uma
instrução ou a uma pseudo-instrução.
Um conjunto de instruções tem também de
definir o que as instruções fazem. Isto é definido
pelas classes Control e ControlALU. A classe
Control controla o comportamento da unidade
de controlo, e contém a informação necessária para
produzir os valores dos sinais de controlo para
cada opcode. A classe ControlALU controla o
comportamento da ALU e do controlador da
ALU.Esta classe contém a informação necessária
para o controlador da ALU produzir as saídas para
cada combinação de ALUOp e campo func da
instrução, e também a correspondência entre cada
possível valor na entrada de controlo da ALU e a
respectiva operação.
C. O Assembler
O assembleré representado pela classe
Assembler, e é acessível através do CPU, como
representado na Fig. 1. Para o código máquina ser
gerado a partir do código fonte, a interface gráfica
usa o Assembler do CPU para interpretar o
código, consultando o InstructionSet do
CPU e convertendo as instruções e pseudo-
instruções no segmento de texto em instruções
máquina, representadas pela classe
AssembledInstruction, sendo depois
carregadas na memória de instruções do CPU. O
processo envolve também a interpretaçãodo
segmento de dados para inicializar a memória de
dados do CPU com os valores pretendidos.
O código introduzido pelo utilizador pode
conter erros, devendo ser identificados e mostrados
ao utilizador. Quando um erro é encontrado numa
instrução, o assembler lança uma excepção.
Contudo, em vez de parar o processo, a excepção é
capturada e adicionada a uma lista de
excepções,prosseguindo na instrução seguinte.
Com esta técnica, todos os erros presentes no
código podem ser mostrados ao utilizador.
Todavia, apenas um erro pode ser mostrado por
linha.
A implementação do assembler é bastante
simples, e o processo de geração é feito em dois
passos:
1. O assembler interpreta o segmento de dados e
carrega os valores para a memória de dados.
Ao mesmo tempo, as etiquetas são
identificadas e as pseudo-instruções são
convertidas em instruções no segmento de
texto;
2. Todas as instruções são convertidas em
instâncias de AssembledInstruction
equivalentes, sendo depois carregadas para a
memória de instruções do CPU.
Em termos de directivas de compilação, quatro
directivas são actualmente suportadas:
.data: inicia o segmento de dados, onde a
memória de dados é inicializada;
.text: inicia o segmento de texto, onde o
código é definido;
.word: declara um ou mais valores a serem
armazenados na memória de dados como
palavras de 32 bits;
.space: reserva espaço (em bytes) na
memória de dados.
IV. IMPLEMENTAÇÃO DA
INTERFACE
Esta secção descreve detalhes sobre a
implementação das interfaces gráficas para
computador e para dispositivos Android. O código
da interface gráfica está definido no pacote gui
(Fig. 1), e é o único pacote que difere entre as
versões para PC e Android.
DrMIPS - FERRAMENTA DE APOIO AO ENSINO E APRENDIZAGEM DE ARQUITECTURA ... 19
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.
A. Versão para PC
A versão para PC é a mais completa. Por
omissão, a interface é apresentada com um tema
claro e com os seus conteúdos divididos em cinco
separadores, como mostrado na Fig. 2. A janela
está dividida horizontalmente em duaspartes,
permitindo que dois separadores sejam mostrados
ao mesmo tempo. Adicionalmente, o utilizador
pode mover qualquer separador de um lado para o
outro se clicar no título do mesmo e seleccionar a
única opção disponível no menu de contexto. Para
além disso, o utilizador pode escolher usar um
tema escuro, e pode também escolher usar janelas
internas em vez de separadores, como mostrado na
Fig. 3. Janelas internas são úteis em ecrãs maiores,
e as suas posições e tamanhos são recordados ao
sair. A interface suporta múltiplos idiomas,
Português e Inglês na versão actual, que podem ser
escolhidos nos menus.
Os vários separadores ou janelas são:
Código: contém o editor de código;
Assemblado:mostra as instruções máquina;
Caminho de dados:mostra o caminho de
dados e as instruções sendo executadas;
Registos:lista os registos e respectivos
valores;
Memória de dados:mostra os valores na
memória de dados.
O DrMIPS fornece um editor de código com
realce de sintaxe, conclusão automática de
palavras, procurar/substituir, numeração de linhas,
desfazer e refazer graças ao componente
RSyntaxTextArea e à biblioteca AutoComplete[19].
As regras de realce de sintaxe e de conclusão de
palavras não são “estáticas” e dependem do CPU
em uso. Todos os erros presentes no código são
indicados ao lado dos números das linhas quando o
código fonte é interpretado.
A tabela do código máquina mostra as
instruções máquina resultantes e realça a instrução
ou instruções a serem executadas pelo CPU. Ao
passar o cursor do rato sobre cada instrução o tipo
da instrução e os valores dos seus campos são
exibidos, como exemplificado na Fig. 3. As tabelas
dos registos e memória de dados mostram os
respectivos valores, mas também realçam os
registos ou endereços acedidos. Os registos e os
valores na memória de dados podem ser alterados
com um duplo clique sobre os mesmos na
respectiva tabela. Todos estes valores podem ser
mostrados nos formatos decimal, binário e
hexadecimal.
O caminho de dados é a parte mais importante
do simulador. Todos os componentes são
apresentados como rectângulos e representados
internamente por JPanel’s. O nome, descrição,
valores/latências nas entradas e saídas dos
componentes são mostrados numa dica quando o
utilizador passa o cursor do rato sobre eles, como
mostrado na Fig. 2. As ligações são desenhadas no
fundo do caminho de dados e têm cores diferentes
quando são irrelevantes ou pertencem ao caminho
de controlo. Algumas das entradas e saídas dos
componentes apresentam uma pequena dica
permanente com o seu valor actual. Essa dica de
dados é sempre posicionada abaixo da entrada ou
saída e é representada por uma etiqueta do
tipoJLabel. O caminho de dados é um
JLayeredPane para permitir que as dicas de
dados estejam sempre no topo. O utilizador pode
ocultar o caminho de controlo, as dicas de dados e
as setas nas ligações, se assim o desejar.
Por opção, a representação do caminho de
dados foi a de menortamanho possível, mas
garantindo a sua leitura sem dificuldade. Desta
forma, uma maior parte do caminho de dados, ou
mesmo a totalidade, estará visível. Por esta razão,
algumas informações, como os nomes das entradas
e saídas, têm de ser omitidas.
O caminho de dados pode também ser
apresentado num “modo de desempenho”. Neste
modo, as ligações que pertencem ao caminho
crítico são mostradas a vermelho, as dicas de
dados são omitidas e as dicas dos componentes
apresentam as suas latências e latências
acumuladas. Além disso, um duplo clique no
componente, neste modo, permite ao utilizador
editar a latência do mesmo. O novo valor não é
guardado no ficheiro do CPU, nele permanecendo
o valor por omissão.
A instrução ou instruções sendo executadas são
apresentadas acima do caminho de dados numa
tabela com uma única linha e sem cabeçalho. Usar
uma tabela deste modo significa que as colunas
provavelmente não estarão alinhadas com os
respectivos registos de pipelined, mas isso também
significa que as colunas estarão sempre visíveis
mesmo que o caminho de dados não esteja
20 BRUNO NOVA, ANTONIO ARAÚJO E JOÃO C. FERREIRA
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completamente visível no ecrã, como pode ser
visto na Fig. 2.
Finalmente, o utilizador pode consultar
algumas estatísticas sobre a simulação. Estas
incluem o período e a frequência de relógio, Ciclos
Por Instrução (CPI) e número de atalhos e
protelamentos ocorridos. A versão para PC inclui
também manuais de utilizador e de configuração.
Fig. 2. Interface para PC com as opções por omissão, com a dica de um componente a ser mostrada
Fig. 3. Interface para PC usando janelas internas e o tema escuro no “modo de desempenho”
DrMIPS - FERRAMENTA DE APOIO AO ENSINO E APRENDIZAGEM DE ARQUITECTURA ... 21
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.
B. Versão para Android
A versão para Android é semelhante à versão
para PC. Tal como nesta, a aplicação usa por
omissão um tema claro, mas um tema escuro está
igualmente disponível. A Fig. 4 ilustra a aplicação
em execução num tablet com Android 4.0.3
usando o tema claro, enquanto a Fig. 5 mostra-a
num telemóvel com Android 4.1.2 usando o tema
escuro.
A aplicação contém apenas uma actividade e os
seus conteúdos são divididos em separadores
usando um TabHost. Os conteúdos dos vários
separadores são definidos em ficheiros de layout
diferentes, os quais são incluídos no layout da
actividade sem usar os novos “fragmentos” do
Android. A aplicação suporta mudanças de
orientação do ecrã sem a perda do seu estado.
Actualmente, a aplicação pode ser apresentada em
Português ou em Inglês.
O editor de código desta versão é um simples
componente do tipoEditText. Para além disso,
devido ao facto de os programas emassemblyMIPS
utilizarem o cifrão ($) para referenciar registos,
usar o teclado no ecrã por omissão do Android
poderá ser incómodo, visto que o cifrão não se
encontra normalmente na sua primeira página.
Porém, existem outros teclados disponíveis para
Android que podem ser instalados e utilizados,
sendo também possível conectar um teclado físico
ao dispositivo, o que facilita a escrita de código.
As tabelas com o código máquina, registos e
memória de dados são parecidas com as da versão
para PC. Contudo, para ver a “dica” de uma
instrução no código máquina, o utilizador tem de
tocar na instrução em vez de passar o “cursor”
sobre a mesma, visto os dispositivos móveis
normalmente não disporem de um cursor ou rato.
Adicionalmente, para alterar um registo ou um
valor na memória de dados, o utilizador tem de
tocar e manter pressionado o mesmo na tabela em
vez de realizar um duplo clique. Este
comportamento é usado noutras partes da
interface.
O caminho de dados é mostrado da mesma
forma que na versão para PC. É usada uma
disposição do tipoRelativeLayout para
apresentar os componentes nas posições e
Fig. 4. Interface para Android usando o tema claro num tablet
22 BRUNO NOVA, ANTONIO ARAÚJO E JOÃO C. FERREIRA
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
tamanhos especificados, todos medidos usando
pixelsindependentes da densidade, que é uma
unidade que permite que os componentes gráficos
tenham aproximadamente o mesmo tamanho real
em todos os dispositivos. Cada componente é do
tipoTextView e o seu nome, descrição e
valores/latências nas entradas e saídas podem ser
vistos ao tocar no componente, como mostrado na
Fig. 5. Mantendo o componente premido no modo
de desempenho permite ao utilizador alterar a sua
latência. As dicas de dados são também mostradas
da mesma maneira que na versão para PC e, como
são os últimos componentes da interface gráfica
adicionados, são sempre mostradas no topo.
Os ficheiros de CPU, de instruções e de código
são armazenados no directório de dados da
aplicação, preferencialmente na memória externa.
Esta memória, normalmente montada em
/mnt/sdcard, é na verdade, em muitos
dispositivos, uma partição da memória interna do
dispositivo e não o cartão de memória externo.
Mas, caso seja e não esteja disponível, a aplicação
armazenará os ficheiros no directório privado da
aplicação na memória interna do dispositivo.
Armazenar os ficheiros na memória externa
permite que o utilizador tenha acesso aos mesmos
utilizando outra aplicação, como um explorador de
ficheiros. Para saber o caminho para o ficheiro de
CPU ou de código actualmente usado, o utilizador
pode tocar no nome do ficheiro na interface
gráfica.
V. CONCLUSÕES
Uma ferramenta para apoiar estudantes e
professores no ensino e aprendizagem de
arquitectura de computadores foi apresentada. Esta
ferramenta, um simulador do MIPS, é versátil,
intuitiva, configurável e agrega várias
funcionalidades que se encontram dispersas por
várias ferramentas existentes. Ambas as versões,
uniciclo e pipelined, do CPU são suportadas, o
caminho de dados é apresentado graficamente e
um “modo de desempenho” está disponível. Esta
ferramenta, o DrMIPS, está também disponível
para Android, sendo esta uma inovação que a
distingue de outras ferramentas semelhantes.
O DrMIPS está actualmente a ser utilizado na
unidade curricular de Arquitectura e Organização
de Computadores na FEUP [20]. O simulador é um
programa gratuito, livre e de código fonte
aberto.Pode ser descarregado de [21], e também se
encontra disponível nos repositórios oficiais de
duas distribuições de Linux, Debian e Ubuntu.
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Fig. 5. Interface para Android usando o tema escuro num
telemóvel, mostrando os detalhes de um componente no “modo de desempenho”
DrMIPS - FERRAMENTA DE APOIO AO ENSINO E APRENDIZAGEM DE ARQUITECTURA ... 23
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Architecture Students Using a Visual MIPS64 CPU
Simulator”, IEEE Transactions on Education, vol.
55, no. 3, pp. 406 - 411, Agosto 2012, acedido em
19 de Novembro de 2014.
[13] “EduMIPS64 Students Questionnaire”,acedido em
19 de Novembro de 2014,
http://www.diit.unict.it/users/spadaccini/edumips64
-survey.html.
[14] M. Scott, “WinMIPS64”, Abril 2012, acedido em
19 de Novembro de 2014, http://indigo.ie/~mscott.
[15] Jimmat, “Assembly Emulator - Android Apps on
Google Play”, Maio 2013, acedido em 18 de
Novembro de 2014,
http://play.google.com/store/apps/details?id=gr.ntu
a.ece.assembly.emulator.
[16] M. Butler, “Android: Changing the Mobile
Landscape”, IEEE Pervasive Computing, vol. 10,
no. 1, pp. 4 - 7, Janeiro-Março 2011.
[17] R. Shim, “Tablets Impact the Notebook Market:
Enter the Ultrabook”, Information Display, vol. 28,
no. 2 and 3, pp. 12 - 14, Fevereiro/Março 2012,
acedido em 19 de Novembro de 2014,
http://informationdisplay.org/Portals/InformationDi
splay/IssuePDF/03_2012.pdf#page=14.
[18] Google, “Android SDK | Android Developers”,
acedido em 27 de Novembro de
2014,http://developer.android.com/sdk/index.html.
[19] Fifesoft, “RSyntaxTextArea – Fifesoft”, 2013,
acedido em 19 de Novembro de 2014,
http://fifesoft.com/rsyntaxtextarea.
[20] Faculdade de Engenharia da Universidade doPorto,
“FEUP - Arquitectura eOrganização de
Computadores”, 2014, acedido em 27deNovembro
de 2014,
http://sigarra.up.pt/feup/pt/ucurr_geral.ficha_uc_vie
w?pv_ocorrencia_id=350484.
[21] B. Nova, “DrMIPS Wiki - Bitbucket”, Novembro
2014, https://bitbucket.org/brunonova/drmips.
AGRADECIMENTOS
O autor gostaria de agradecer ao Departamento
de Engenharia Informática da FEUP e aos
professores António Araújo e João Canas Ferreira
do Departamento de Engenharia Electrotécnica e
de Computadores pela orientação e conselhos
dados, e também por propor este trabalho.
Bruno Nova nasceu no Porto, Portugal, em 1990, e concluiu um
Mestrado Integrado em Engenharia
Informática e Computação na Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto em 2013.É o
autor da Dissertação de Mestrado intitulada Tool to Support Computer
Architecture Teaching and Learning, e
de um artigo com o mesmo nome apresentado na conferência CISPEE
2013.
António Araújo obteve o grau de
Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores na Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto,
Portugal, em 2003. É Professor Auxiliar no Departamento de
Engenharia Electrotécnica e de
Computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
desde 2003. Os seus principais
interesses de investigação incluem aritmética em vírgula flutuante (operadores e funções
matemáticas elementares) ao nível dos algoritmos,
arquitecturas, metodologias de projecto e implementação em hardware dedicado, e desenvolvimento de arquitecturas e
sistemas digitais reconfiguráveis para aplicações específicas.É
membro da Ordem dos Engenheiros (Portugal).
João C. Ferreira obteve o grau de
Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Universidade do
Porto) em 2001. Actualmente é
Professor Auxiliar no Departamento de Engenharia Electrotécnica e de
Computadores da Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto. As suas actividades de investigação
abrangem os sistemas embarcados
reconfiguráveis dinamicamente (em FPGA), arquitecturas de sistemas digitais dedicados de alto desempenho, e ferramentas
de apoio ao projecto de sistemas digitais. É membro da Ordem
dos Engenheiros (Portugal), do IEEE e da ACM.
24 BRUNO NOVA, ANTONIO ARAÚJO E JOÃO C. FERREIRA
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
Capítulo 3
O ensino da álgebra linear em Portugal: padrões no
uso da tecnologia em cursos de engenharia
Ricardo Gonçalves
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave
Barcelos, Portugal
Cecília Costa
CIDTFF-Lab-DCT, Universidade de Aveiro, Aveiro, Portugal
Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, UTAD,
Quinta de Prados, 5000-801Vila Real, Portugal,
www.utad.pt
Title– Teaching linear algebra in Portugal:
patterns in the use of technology in engineering
courses
Abstract– This article reports the use of
technology in teaching linear algebra by
Portuguese lecturers in engineering courses.
Once known the recommendations and
potentialities highlighted in literatureon
teaching linear algebra, the aim of this study is
to assess whether the use of technology is
embodied in linear algebra classroom and, if so,
in what form. We performed the study with
lecturers that have taught linear algebra
courses in the same school year through the
application of a questionnaire. By the
descriptive analysis of the results, we identify
four patterns in the teaching of linear algebra in
Portugal in terms of use of technology.
Keywords– teaching mathematics; linear
algebra, teaching practices, technology,
computer.
Resumo– Este artigo reporta ao uso da
tecnologia no ensino da álgebra linear pelos
docentes que lecionam em cursos de engenharia
nas instituições portuguesas. Dadas as
recomendações e potencialidades do uso da
tecnologia assinaladas pelos investigadores em
didática da álgebra linear, o objetivo do estudo
é aferir se o uso da tecnologia é materializado
nas aulas de álgebra linear e, caso afirmativo,
em que moldes. A recolha de dados realizou-se
sob a forma de aplicação de um questionário,
dirigido aos docentes que lecionaram a unidade
curricular álgebra linear ou similar num
determinado ano letivo. A análise descritiva dos
resultados conduziu à identificação de padrões
no ensino da álgebra linear em Portugal à luz
do indicador uso da tecnologia.
Palavras chave– didática da matemática;
álgebra linear; práticas de ensino; tecnologia;
computador.
I. INTRODUÇÃO
No âmbito da álgebra linear, uma das primeiras
preocupações didáticas surgiu na década de
noventa nos Estados Unidos da América, com a
constituição de um grupo de trabalho denominado
Linear Algebra Curriculum Study Group
Este trabalho é financiado pela FCT/MEC através de fundos
nacionais (PIDDAC) e cofinanciado pelo FEDER através do
COMPETE – Programa Operacional Fatores de
Competitividade no âmbito do projeto PEst-
C/CED/UI0194/2013.
25
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
(LACSG). O móbil emergiu das recorrentes
dificuldades que os professores observavam nos
seus alunos quando ensinavam tópicos de álgebra
linear, a par da necessidade de aproximação, cada
vez mais atual, da álgebra linear à engenharia,
ciências da computação, economia e estatística e
do desenvolvimento dos computadores [1-2]. Um
dos eixos em que se baseou a discussão e do qual
resultou como recomendação para o ensino da
álgebra linear foi o uso da tecnologia, sobretudo do
computador. Esta proposta assentou na convicção
de que o uso de computadores por parte dos alunos
em projetos e na resolução de exercícios (também
fora da aula) reforçava os conceitos aprendidos,
contribuía para a descoberta de novos conceitos e
tornava possível a resolução de problemas
aplicados em contexto real [1-2].
Investigações seguintes apontaram para a
possibilidade de integração de programasde
geometria dinâmica e dos designados computer
algebra systems (CAS) – software de computação
simbólica – nas aulas de álgebra linear. Algumas
propostas para a exploração de conteúdos e
conceitos de álgebra linear, segundo ambientes
eletrónicos, foram sugeridas pelos investigadores.
O programa de geometria dinâmica Cabri aparece
associado principalmente às transformações
lineares, como em [3-5], acreditando-se no seu
potencial para a compreensão geométrica e
conceptual do conceito. O uso deste programa é
proposto para a observação e dedução de
propriedades, dado o caráter facilitador de obtenção
dos transformados em comparação com a via
“papel e lápis”. Esta aprendizagem de caráter
cinestésico tende a envolver e a motivar os alunos
[4], mas a ênfase no raciocínio sobre os conceitos
em termos das representações visuais, em
detrimento das próprias definições, pode tornar-se
um obstáculo à compreensão [3] e reduzir o
pensamento teórico [5].
O recurso ao CAS Maple aparece em [6], associado
a um novo método para o ensino dos sistemas de
equações lineares e à investigação baseada nas suas
múltiplas representações, nomeadamente,
representação algébrica, representação gráfica e
representação data-based. Uma vez identificado o
problema da dificuldade de alunos interpretarem a
solução obtida por meio da aplicação do método de
eliminação de Gauss, a proposta considerou a
transição recíproca entre esta representação
algébrica e as outras representações, possibilitadas
e agilizadas pelo uso do programa.
Ainda sobre o item das múltiplas representações
dos conceitos, e no caso dos sistemas de equações
lineares, em [7] é utilizado um CAS semelhante ao
Maple – o MuPAD – para a apresentação de uma
possível representação visual dos passos do
algoritmo de Gauss. Também relacionado com os
sistemas de equações lineares, aparece em [8] a
sugestão para uma aprendizagem mais interativa,
com recurso a “applet’s” e a calculadoras online.
Outra dimensão associada à consideração do uso da
tecnologia no ensino da álgebra linear reporta à
elaboração de materiais pedagógicos. O projeto
ATLAST – Augment the Teaching of Linear
Algebra through the use of Software Tools –
decorreu entre os anos de 1992 e 1997 e surgiu com
o objetivo de se encorajar e facilitar o uso de
software no ensino da álgebra linear. Como
produtos, criaram-se exercícios computacionais e
planos de aula adstritos ao uso dos CAS Matlab,
Maple e Mathematica.
O recurso à tecnologia também se repercutiu nos
livros subsequentes de álgebra linear. Alguns
desses livros, com parte dos autores a terem
participado nos projetos anteriormente referidos
(LACSG e ATLAST), passaram a incluir secções
alusivas a “technology exercises” [9], “Matlab
problems” [10] ou exercícios para serem resolvidos
com um “matrix program” [11], por exemplo.
É reconhecido o estatuto dos ambientes eletrónicos
no apoio ao ensino e aprendizagem da álgebra
linear [12], justificando-se que pertençam ao
cluster onde já se incluíam as lições, os textos e os
exercícios de “papel e lápis”. Adequa-se a sua
utilização como calculadores matriciais, para a
computação de problemas de aplicação
significativos, para a visualização, e para
proporcionar um ambiente de exploração ativa das
estruturas matemáticas, entre outros [13]. Mais
concretamente, assinalado pelos investigadores, os
CAS são relevantes para a manipulação de matrizes
e resolução de sistemas de equações lineares [12],
enquanto os programas de geometria dinâmica
permitem o “contacto” com os objetos de teorias
mais abstratas [3], como os espaços vetoriais e
transformações lineares, quando confinados a
espaços de dimensão não superior a 3.
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26 RICARDO GONÇALVES Y CECÍLIA COSTA
No presente estudo enfatizamos, como problema de
investigação, a caraterização do estado atual do
ensino da álgebra linear, em Portugal, em
proximidade com os resultados decorrentes da
investigação na área. Este estudo enquadra-se num
projeto de maior escala, onde se procurou
estabelecer uma relação entre um conjunto de
indicadores representativos das sugestões dos
investigadores e as práticas de ensino da álgebra
linear em Portugal. Aqui, a nossa atenção recai
num único indicador: o uso da tecnologia. A
problemática emergiu da tentativa de desmistificar
um possível estereótipo do atual estado do ensino
da álgebra linear em Portugal: que se ensina como
se aprendeu, onde os antigos professores são os
modelos e as suas práticas, o padrão; que a
informação necessária é recolhida num conjunto de
obras conhecidas, mais ou menos transversal à
maioria dos professores; que a elaboração de
eventuais textos resulta de súmulas das referidas
obras; e, finalmente, que a reflexão sobre a prática
é de senso comum, querendo significar que o
professor faz pequenos ajustes metodológicos a
partir da experiência e da vivência no espaço sala
de aula.
Entrando na realidade da prática dos docentes, este
estudo tem como objetivo aferir se o uso da
tecnologia, sobretudo do computador, é
materializado nas aulas de álgebra linear. Para tal,
colocamos a seguinte questão de investigação: qual
ou quais os padrões no ensino da álgebra linear em
cursos de engenharia, nas instituições portuguesas,
atendendo ao uso da tecnologia?
Nas secções seguintes apresentamos a investigação
empírica e o instrumento de recolha de dados
utilizado, procedemos à análise descritiva dos
resultados, procuramos responder à questão de
investigação colocada e indicamos algumas
conclusões.
II. INVESTIGAÇÃO EMPÍRICA
A. Descrição do estudo
No projeto maior, citado na secção anterior, parte
dos dados foram recolhidos sob a forma da
aplicação de um questionário. Este foi dirigido aos
docentes que lecionaram a unidade curricular de
álgebra linear ou de designação similar no ano
letivo 2010-2011, nas instituições públicas
portuguesas do ensino superior.
Num momento inicial, a partir da página eletrónica
de cada uma das instituições de ensino superior
público existentes em Portugal,realizou-se a
pesquisa da oferta formativa de cursos do
primeirociclo de estudos e mestrados integrados,
que contemplavam no plano de estudos uma
unidade curricular onde constasse, no mínimo, os
termos álgebra e linear. O envio do questionário
realizou-se por correio eletrónico para os
endereços dos docentes disponibilizados na página
eletrónica ou, na ausência desta informação, por
pedido dirigido aos responsáveis pela unidade
curricular, diretores de departamento ou diretores
de escola/faculdade. O momento de passagem do
questionário aconteceu após o término do semestre
em que constava a unidade curricular no plano de
estudos.
O critério estabelecido para a constituição da
amostra do presente estudo foi cada docente ter
lecionado álgebra linear, pelo menos, em cursos de
engenharia, Neste sentido, de todos os docentes que
aceitaram responder ao questionário, 41 cumpriam
aquele critério, distribuídos por 22 instituições.
Com esta amostra conseguiu-se assegurar a
representatividade em termos geográficos e quanto
ao tipo de instituição (universidades e institutos
politécnicos).
A análise dos questionários foi reduzida às questões
que direta ou indiretamente se relacionavam com o
propósito deste estudo: as questões um e dois para a
caraterização da amostra; a questão quatro para a
constituição da amostra; as questões cinco, seis,
oito, nove e catorze, para o estudo do indicador uso
da tecnologia.
B. As questões do questionário e o propósito de
pesquisa
No âmbito da caraterização e constituição da
amostra, começou-se por questionar a experiência,
em número de anos, no ensino da unidade
curricular e a opção pessoal por ensinar álgebra
linear (Fig.1).
O número de anos de ensino da álgebra linear pode
ser diferenciador da prática dos docentes,
nomeadamente ao nível das opções metodológicas
decorrentes da experiência e a iniciativa para a
mudança. Por sua vez, as circunstâncias de um
docente lecionar a unidade curricular de álgebra
linear podem ser díspares, desde ser-lhe
possibilitado por ser a primeira escolha e área de
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O ENSINO DA ÁLGEBRA LINEAR EM PORTUGAL: PADRÕES NO USO DA TECNOLOGIA... 27
interesse ou ter de lecionar a unidade curricular por
imposições e restrições na escolha. Em torno deste
pressuposto, procurar-se-á aferir se a predisposição
para o ensino da unidade curricular se repercutirá
nas preocupações didáticas e nas inovações
pedagógicas. A questão quatro (Fig. 1) permitiu
concentrar as respostas dos docentes que
lecionaram em cursos de engenharia.
Fig. 1. Sobre a caraterização e constituição da amostra.
As questões cinco e seis (Fig. 2) intuíam
suspeições quanto à sustentação da potencial opção
pelo uso da tecnologia. Torna-se passível de
análise se esta inovação metodológica é
consequente ao conhecimento de resultados de
investigação ou se resulta de outros pressupostos.
Fig. 2. Sobre a prática docente.
Nas questões oito e nove (Fig. 3) abordou-se o tipo
de recursos segundo os quais os docentes
alicerçavam a sua prática de uma forma mais
recorrente e o modo como utilizavam esses
recursos. Por um lado, poder-se-á observar se
lecionam de uma forma mais tradicional, com
destaque para a utilização estrita do quadro e
eventual apoio de uma sebenta ou livro de texto;
por outro lado, se são diferenciadores ao nível da
utilização de recursos de cariz tecnológico,
maximizado com a utilização do computador e
software, em consonância com a importância
atribuída pelos investigadores.
Sobre os procedimentos de avaliação pensados
pelos docentes, pretendia-se aferir com a questão
catorze (Fig. 3) se adotavam outros mecanismos e
concomitantes com o uso da tecnologia.
Fig. 3. Sobre a utilização de recursos.
III. RESULTADOS GERAIS DO ESTUDO
No contexto de uma leitura global dos dados
recolhidos e atendendo às questões destacadas do
questionário (apresentadas na secção anterior),
agruparam-se os dados em quatro categorias: tempo
e opção de ensino da unidade curricular; influências
na prática docente; alcance das reformulações no
ensino da unidade curricular; tipo e utilização de
recursos. A seguir são apresentados os dados
relativos às categorias referidas.
Relativamente ao número de anos no ensino da
álgebra linear, 45% dos inquiridos pertenciam ao
intervalo de um a cinco anos e aproximadamente
três quartos tinham cumulativamente até dez anos
de experiência. Dois aspetos se destacaram à
partida, associados àqueles intervalos de número de
anos: dos oito docentes que não ensinavam álgebra
linear por opção pessoal, seis tinham uma
experiência de ensino na área entre um a cinco
anos; dos quinze docentes que assinalaram o uso de
computador e software, catorze tinham até dez anos
no ensino da álgebra linear.
Os dados referentes às influências na prática
docente estão reunidos na TABELA I. A priori a
questão subentendia dois grupos distintos,
consoante a prática em termos das suas influências.
Por um lado, um grupo condizente com uma
atuação no terreno de forma mais experiencial e
tácita2, aquela que assenta na influência dos antigos
2Designações atribuídas a Cochran-Smith e Lytle, citadas em [14].
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
28 RICARDO GONÇALVES Y CECÍLIA COSTA
professores, na própria experiência e no contacto
com os pares. Por outro lado, um grupo que procura
sustentar as práticas no conhecimento mais formal
e científico2, procurado em investigações
publicadas, na formação pedagógica contínua e na
reflexão sobre a prática. Dos dados observados e
com atenção à predominância das influências nas
práticas, sobressaiu que os inquiridos tendiam a
lecionar álgebra linear de uma forma mais
experiencial e tácita, incluindo-se neste grupo cerca
de 80% dos docentes.
Com atenção ao alcance das reformulações que os
inquiridos já efetuaram na abordagem da unidade
curricular, verificou-se que quem respondeu
afirmativamente já procedeu a reformulações de
pequena monta (acrescentar e remover exercícios e
exemplos e introduzir, eliminar e reordenar
tópicos). Noutra direção, treze indicaram ter testado
novas estratégias de ensino, dois dos quais
motivados pelo conhecimento das investigações na
área.
TABELA I
DISTRIBUIÇÃO DAS INFLUÊNCIAS NA PRÁTICA DOCENTE
Segundo este último resultado, parece não haver
correspondência entre a concretização de inovações
pedagógicas e o conhecimento de resultados de
investigação. E na tentativa de se estabelecer se a
utilização da tecnologia foi uma nova estratégia de
ensino testada pelos docentes inquiridos, verificou-
se que um em cada três dos docentes que indicaram
ter já testado novas estratégias de ensino também
assinalou a utilização de recursos tecnológicos.
As ocorrências quanto aos recursos utilizados pelos
inquiridos nas suas aulas aparecem na TABELA II.
As hipóteses definidas à partida enquadravam-se
em dois tipos de recursos: recursos tecnológicos
(projetor multimédia, quadro interativo,
computador e software e calculadora) e recursos
tradicionais (quadro, livro de texto, sebenta e
retroprojetor/acetatos, este no sentido de já ser
antigo). A primeira evidência reportou ao uso de
projetores multimédia. Quase metade dos
inquiridos usava-o nas aulas e, segundo a
informação recolhida na questão nove, o seu uso
(regular ou ocasional) confinava-se à apresentação
de diapositivos sobre os aspetos teóricos da álgebra
linear, como conceitos e demonstrações. Ainda
sobre os recursos tecnológicos, o uso da
calculadora foi assinalado por dois dos inquiridos e
ninguém indicou usar o quadro interativo.
Como informação central do estudo, quinze dos
inquiridos usavam o computador e software. Sobre
os programas utilizados, três referiram-se ao Scilab,
três ao Octave, um ao Linear Algebra Toolkit, dois
ao Maple, um ao Matlab e um a software criado
pelo próprio. Acrescenta-se que dois docentes se
referiram ao uso do computador apenas para
mostrar exemplos geométricos, um deles usando o
Mathematica. Outros dois docentes indicaram o uso
de aplicações online.
TABELA II
DISTRIBUIÇÃO DOS RECURSOS UTILIZADOS
Responses Percent
of Cases N
Recursos: Quadro 41 100,0%
Projetor multimédia 21 51,2%
Livro de texto 5 12,2%
Computador e software 15 36,6%
Sebenta 16 39,0%
Calculadora 2 4,9%
Retroprojetor/acetatos 4 9,8%
Convém realçar que alguns dos inquiridos que
usaram o computador e software, ao não responder
à questão nove, não forneceram indicações sobre se
o uso dos programas era exclusivamente por parte
do professor ou se era proporcionada também aos
alunos. Apenas é factual, com referência, por
exemplo, a aulas em laboratórios ou formas
alternativas de avaliação, a extensão do uso do
computador aos alunos em seis dos casos. O uso de
software em articulação com mecanismos
alternativos de avaliação foi ainda observável em
quatro casos, passando pela realização de testes
parciais, com o auxílio dos programas usados nas
aulas, e de trabalhos práticos realizados dentro e
fora da aula.
Responses Percent
of Cases N
Quais as
influências na prática
docente?
A metodologia de antigos
professores 17 40,5%
A própria experiência da
prática docente 32 76,2%
A formação pedagógica
contínua 3 7,1%
A reflexão sobre a
própria prática docente 36 85,7%
O contacto com docentes
da área 24 57,1%
Os resultados de
investigação sobre o ensino da Álgebra Linear
8 19,0%
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O ENSINO DA ÁLGEBRA LINEAR EM PORTUGAL: PADRÕES NO USO DA TECNOLOGIA... 29
IV. À PROCURA DE PADRÕES NO USO
DA TECNOLOGIA
Recordamos a questão de investigação sobre a qual
se centrou a investigação: Qual ou quais os
padrões no ensino da álgebra linear em cursos de
engenharia, nas instituições portuguesas,
atendendo ao uso da tecnologia?
Estreitando a análise e a relação entre as categorias
assinaladas anteriormente, referimo-nos a seguir a
alguns dos padrões que foi possível identificar nas
práticas dos docentes inquiridos.
Sobre a preponderância e forma de usar os recursos
emergiram dois padrões:
Os recursos considerados nas práticas não
acompanham os avanços tecnológicos. Este
padrão reflete os recursos que foram ou não
substituídos de uma forma substancial. Neste
caso, o quadro continuou a ser usado por todos
os professores, onde uma parte considerável
ainda o usa na exploração teórica e prática dos
conteúdos, e não foi substituído pelo quadro
interativo. No entanto, convém realçar que a
utilização dos quadros interativos depende de as
aulas decorrerem em salas onde exista este
recurso. Por sua vez, a utilização do
retroprojetor foi substituída pelo projetor
multimédia. Este último continua com a função
de apresentação de diapositivos alusivos a
aspetos teóricos dos assuntos. Noutros casos, a
utilização dos livros de texto teve pouca
expressão, sendo dada maior importância ao uso
de sebentas, e o uso das calculadoras não
mereceu a atenção dos docentes nas suas aulas.
Considerando a parte da amostra em que se
verificou o uso do computador e software,o
quadro foi utilizado para a resolução de
exercícios e exemplificação de conceitos e
aplicações, o projetor multimédia para a
apresentação da teoria e o computador para o
apoio na resolução de exercícios. Acrescenta-se
que o uso do computador e software também se
estendeu à avaliação, mas não foi a norma.
No que respeita ao uso do computador e software,
identificaram-se dois padrões no atual ensino da
álgebra linear nos cursos de engenharia:
Os docentes que usaram esta tecnologia tinham
uma experiência no ensino da unidade
curricular até dez anos, faziam-no de forma
acrítica e influenciados pelo trabalho de outros
docentes e nem sempre implicavam os alunos
na sua utilização. Para a identificação deste
padrão começou-se por olhar para os quinze
docentes que incluíram nas suas aulas o uso
desta tecnologia. Na relação com a experiência
no ensino da álgebra linear, a maioria lecionava
até há dez anos a unidade curricular. A procura
de indícios que conduziram este grupo de
inquiridos a metodologias diferenciadas pelo
uso do computador e software levou-nos à
atenção sobre as influências na prática docente.
Neste âmbito, quatro dos inquiridos
evidenciaram a tendência para sustentar as
práticas no conhecimento formal e científico,
enquanto os restantes se inclinaram para
práticas influenciadas sobretudo pela própria
experiência e o contacto com outros docentes.
Uma relação bastante estreita que se verificou,
foi entre o uso do computador e software e o
contacto com outros docentes: dos quinze
inquiridos, onze indicaram como influência na
prática o contacto com outros docentes. Neste
caso, o mote para o uso do computador pode ser
consequência do conhecimento do trabalho dos
colegas ou decisões institucionais e não do
conhecimento das propostas dos investigadores,
como as avançadas pelo LACSG. Por exemplo,
verificou-se no nosso estudo, que os três
docentes que usavam o Octave eram todos da
mesma instituição e com finalidades de
utilização idênticas.
Os docentes que não usaram tal tecnologia
ensinavam com base na própria experiência e na
reflexão sobre a prática, independentemente do
número de anos no ensino da álgebra linear.
Estas duas influências na prática acentuaram-se
nos docentes que não usaram o computador e
software em contraposição com os docentes que
o fizeram. Por sua vez, o número de anos a
ensinar álgebra linear revelou-se díspar neste
grupo de docentes.
V. CONCLUSÃO
Este estudo conduziu-nos à identificação de quatro
padrões sobre o recurso à tecnologia pelos atuais
docentes de álgebra linear, que lecionam em cursos
de engenharia nas instituições portuguesas. Dois
dos padrões aludem ao uso dos recursos
disponibilizados atualmente para o ensino, em
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
30 RICARDO GONÇALVES Y CECÍLIA COSTA
preponderância e modalidades. Os outros dois
padrões dividem e caraterizam os docentes quanto a
incluírem ou não nas aulas o uso do computador e
software.
Os dados recolhidos levam-nos a concluir que
ainda estamos próximos do estereótipo que
predefinimos. Um grupo mais restrito de docentes
inclui recursos tecnológicos nas suas aulas, mas
ainda pouco fundamentado, sem se conseguir
associar esta tendência, por exemplo, às sugestões
conhecidas dos investigadores em didática da
álgebra linear.
Permanece assim o desafio futuro de conhecer as
razões que poderão conduzir os docentes a optarem
ou não por enfatizar o uso da tecnologia nas suas
aulas e como tornar o ensino da álgebra linear, em
articulação com o uso da tecnologia, mais
proficiente.
REFERÊNCIAS
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Porter,“The Linear Algebra Curriculum Study
Group recommendations for the first course in
Linear Algebra”,The College Mathematics Journal,
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Ricardo Gonçalves nasceu em Fafe, Portugal, em 1975. Licenciou-se em
Ensino da Matemática na Universidade
de Aveiro, em 2002, e concluiu o mestrado na mesma área na Faculdade
de Ciências da Universidade do Porto,
em 2005. É doutorando em Didática de Ciências e Tecnologias, especialidade
de Didática das Ciências Matemáticas
na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.
É assistente convidado no Instituto Politécnico do Cávado e do
Ave desde 2009, onde leciona regularmente a unidade curricular de Matemática Discreta e Álgebra Linear.
Desenvolve investigação em didática da álgebra linear e tem
algumas publicações na área.
Cecília Costa nasceu no Porto, Portugal, em 1966. É licenciada em
Matemática (Ramo Educacional), em
1990, pela Universidade do Porto, mestre em Ciências da Educação (ramo
de Psicologia da Educação), em 1994,
pela Universidade de Coimbra, doutora em Matemática, em 2000, e agregada
em Didática de Ciências e Tecnologia
(especialização em Didática de Ciências Matemáticas), em 2013, ambos pela Universidade de
Trás-os-Montes e Alto Douro. É docente na Universidade de
Trás-os-Montes e Alto Douro desde 1994 e atualmente é professora auxiliar com agregação. Leciona regularmente as
unidades curriculares de Álgebra Linear e de Didática da
Matemática, áreas onde desenvolve investigação. Tem várias publicações nacionais e internacionais nestas áreas.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
O ENSINO DA ÁLGEBRA LINEAR EM PORTUGAL: PADRÕES NO USO DA TECNOLOGIA... 31
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32 RICARDO GONÇALVES Y CECÍLIA COSTA
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O ENSINO DA ÁLGEBRA LINEAR EM PORTUGAL: PADRÕES NO USO DA TECNOLOGIA... 33
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34 RICARDO GONÇALVES Y CECÍLIA COSTA
Capítulo 4
Declaración AENUI-CODDII por la inclusión de
asignaturas específicas de ciencia y tecnología
informática en los estudios básicos de la enseñanza
secundaria y bachillerato
Xavi Canaleta
URL
Barcelona
Fermín Sánchez
UPC
Barcelona
Inés Jacob
U. Deusto
Bilbao
Ángel Velázquez
URJC
Madrid
Mercedes Marqués
UJI
Castellón
Title – AENUI-CODDII manifesto on offering
computing in high-school curricula
Abstract– Currently computing is omnipresent,
being a source of innovation for any scientific or
technological field. Moreover, it is a
fundamental part of current society.Neither any
discipline evolved so much in such a short
period of time, nor did it have such a huge
influence on our lives. Probably computing is,
jointly with mathematics, the most traversal of
all sciences. Consequently, in the same way as
mathematics do, computing science and
technology must be present in any educational
level.
Information technologies, i.e. the practical side
of computing, are nowadays the source of most
jobs on demand in the world. People who design
and construct computing systems define social
and working relationships and habits. However,
youngsters exhibit a worrying lack of vocations
to become engineers, in particular to become
computing engineers.
Current highschool students are instructed in
the use of computing tools, but they hardly
know anything about computing as a science.
Moreover, since the approval of the LOMCE,
skills on technology (in a broad sense) are
acquired in elective courses that schools are not
forced to offer. However, acquiring skills on
computing is fundamental if we expect students
to contribute to transform future society, and to
serve as catalysts of change in the productive
model our country needs.
For these reasons, we present a manifesto on
offering computing in high school curricula,
that we claim Spanish educational authorities
should consider.
Keyword– Computing in high school, Manifesto
AENUI-CODDII
Resumen– La informática está presente y es el
motor de la innovación en todos los campos de
la ciencia y tecnología, además de ser una parte
fundamental de la sociedad actual. Ninguna
otra disciplina ha evolucionado tanto de una
forma tan rápida, ni ha tenido tanta influencia
en la calidad de vida de las personas. La
informática es probablemente, junto con las
matemáticas, la más transversal de las ciencias.
Por este motivo, la ciencia y la tecnología
informática también deben estar presentes en
todos los niveles del sistema educativo.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
35
Las Tecnologías de la Información, aplicación
de la ciencia y la tecnología informática, son
hoy en día la fuente con mayor demanda de
empleo en todo el mundo. Las personas que
diseñan y construyen los sistemas informáticos
definen la forma en que se relacionan la
sociedad y las empresas. No obstante, existe hoy
en día una alarmante falta de vocación en
nuestros jóvenes para ser ingenieros, y en
particular para estudiar ingenierías
relacionadas con las tecnologías de la
información.
Los actuales alumnos de secundaria y
bachillerato reciben formación en el uso de
herramientas informáticas, pero apenas se
forman en la informática como ciencia. Por si
fuera poco, desde la aparición de la LOMCE,
las competencias relacionadas con la tecnología
(en general) son adquiridas en asignaturas
optativas cuya impartición los centros pueden
optar por no ofertar. Sin embargo, la
adquisición de competencias en ciencia y
tecnología informática es fundamental si
queremos que estos estudiantes contribuyan a
transformar la sociedad del futuro y ejerzan
como catalizadores del cambio de modelo
productivo que necesita nuestro país.
Por ello, presentamos esta declaración que
incluye las recomendaciones que consideramos
deben ser tenidas en cuenta por las autoridades
educativas con objeto de incluir la ciencia y la
tecnología informática en los planes de estudios
del bachillerato y de la enseñanza secundaria.
Palabras clave– Informática en secundaria,
Informática en bachillerato, Declaración
AENUI-CODDII
I. INTRODUCCIÓN
La informática está presente en nuestra sociedad y
es el motor de la innovación en todos los campos
de la ciencia y la tecnología. Es, sin duda, un pilar
fundamental de la sociedad actual, que hoy en día
no se puede concebir sin internet y sin las
aplicaciones que usan la red: webs, email,
Facebook, Twitter, blogs, wikis, etc. En toda la
historia de la humanidad, ninguna otra disciplina
ha evolucionado tanto de una forma tan rápida
como la informática (y es presumible que así
seguirá sien-do), ni ha tenido tanta influencia en la
calidad de vida de las personas ni en su forma de
relacionarse entre ellas y con las empresas y las
instituciones.
La informática es probablemente, junto con las
matemáticas, la más transversal de las ciencias.
Por ello, y al igual que las matemáticas, debe estar
presente en todos los niveles de la educación.
Las Tecnologías de la Información (TI) son hoy en
día la fuente con mayor demanda de empleo en
todo el mundo. Son un mercado que mueve mucho
dinero y da trabajo, tanto de forma directa como
indirecta, a cada vez más personas. Pese a ello,
existe consenso entre los expertos de que los
próximos 10 años las universidades de todo el
mundo serán incapaces de titular a todos los
ingenieros que el mercado necesita. Algunos
países emergentes, como India o China, se han
erigido en exportadores de ingenieros TI, pero no
tardarán mucho tiempo en dejar de serlo por el
incremento de estos profesionales que se espera en
su demanda interna. De hecho, cada vez hay más
centros de desarrollo de software en países
emergentes que dan servicio a países del primer
mundo, no porque sus servicios sean más baratos
(o al menos no solamente por eso), sino por la
dificultad de encontrar ingenieros TI en los países
industrializados [9].
El conocimiento y uso de las Tecnologías de la
Información puede definir el modelo productivo de
un país, y cada día tendrá más peso. Las personas
que diseñan y construyen los sistemas informáticos
definen la forma en que se relacionan la sociedad y
las empresas. Si la población no conoce los
principios básicos de funcionamiento de los
computadores (tanto a nivel de hardware como de
software) y no tiene una formación suficiente en
Tecnologías de la Información, se corre el riesgo
de caer en una dependencia tecnológica tanto por
parte del país como de sus habitantes.
Pese a todo lo expresado, existe hoy en día una
alarmante falta de vocación en nuestros jóvenes
para estudiar ingeniería, y en particular para
estudiar ingenierías relacionadas con las
Tecnologías de la Información. Nuestros jóvenes
parecen percibir que el esfuerzo necesario para
obtener el título de ingeniero no se compensa sus
resultados. Muchos titulados tardan más de cuatro
o cinco años en obtener un buen sueldo desde que
abandonan la universidad, lo que sumado a la
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36 X. CANALETA, F. SÁNCHEZ, I. JACOB, Á. VELÁZQUEZ Y M. MARQUÉS
media de seis o siete años invertidos desde que
comenzaron sus estudios los sitúa en la treintena
antes de obtener un sueldo razonable para la
formación que han recibido. Si, por el contrario, se
ponen a trabajar antes, o cursan otros estudios
menos complicados y que por lo tanto ellos
asumen que pueden acabar antes, parecen pensar
que van a tardar menos tiempo en conseguir un
salario razonable. Este efecto se ha visto
magnificado en países como España, donde la
burbuja inmobiliaria de principios del siglo XXI
facilitó a un gran número jóvenes la obtención de
pingües sueldos en el mercado de la construcción
sin la necesidad de disponer de formación en el
campo. Muchos jóvenes abandonaron las aulas a
edad temprana para trabajar como paletas
cobrando sueldos de ingeniero experimentado y,
cuando la burbuja finalmente estalló, se han
encontrado sin trabajo y sin formación. Y sin
sueldo.
La juventud actual parece haber cambiado la
cultura del esfuerzo por la cultura de los resultados
inmediatos, y paradójicamente las propias
Tecnologías de la Información han contribuido a
ello. Hoy en día, todo está a un clic de distancia.
Algunos países han comenzado ya campañas,
aunque tímidas todavía, para fomentar vocaciones
de ingeniería informática. Recientemente, el
Presidente de los EEUU difundió un vídeo en el
que recomendaba a los jóvenes estadounidenses
que cursasen estos estudios1, pero también ha
habido empresas que, consciente o
inconscientemente, han puesto en marcha
campañas para alentar estas vocaciones entre los
jóvenes. La famosa muñeca Barbie ha sacado
recientemente su modelo Barbie Ingeniero
Informática, que probablemente aumentará dentro
de algunos años el porcentaje de mujeres que
cursan estos estudios. Hasta entonces, tendremos
que conformarnos con unas aulas pobladas de
hombres, cuando curiosamente a principios de los
80, cuando los estudios de licenciatura informática
comenzaron en España (entonces no era todavía
una ingeniería), la cantidad de hombres y mujeres
en el aula era similar.
Pero el problema no está en la universidad (al
menos, no solamente), sino mucho antes. Los
actuales alumnos de secundaria y bachillerato que
cursan asignaturas relacionadas con la tecnología
1https://www.youtube.com/watch?v=6XvmhE1J9PY
reciben formación en el uso de herramientas
informáticas (ofimática), pero apenas se forman en
la informática como ciencia. Por si fuera poco,
desde la aparición de la LOMCE las competencias
relacionadas con la tecnología (en general) son
adquiridas en asignaturas optativas, cuya
impartición los centros pueden optar por no
ofertar. Un estudiante podría acabar sus estudios
de secundaria o bachillerato sin haber recibido más
formación informática que la que pueda obtener de
forma autodidacta. Sin embargo, la adquisición de
competencias informáticas es fundamental si
queremos que estos estudiantes contribuyan a
transformar la sociedad del futuro y ejerzan como
catalizadores del cambio de modelo productivo
que necesita nuestro país.
Por ello, AENUI2 y CODDII
3decidieron elaborar
una declaración que denuncie este grave problema
de nuestra sociedad y solicite a las autoridades
competentes que le pongan remedio. La
declaración incluye las recomendaciones que
deberían ser tenidas en cuenta por las autoridades
educativas para incluir las competencias
relacionadas con la informática en los planes de
estudios del bachillerato y de la enseñanza
secundaria.
El resto de este artículo se organiza de la siguiente
forma: La Sección 2 explica la metodología que
hemos usado para redactar la declaración. La
Sección 3 describe de forma muy breve los
diferentes documentos que hemos consultado. La
Sección 4 explica la situación al respecto en otros
países. La Sección 5 presenta el resultado de
nuestro trabajo; la Declaración AENUI-CODDII.
Finalmente, la Sección 5 concluye el artículo.
II. METODOLOGÍA DE
ELABORACIÓN DEL DOCUMENTO
En esta sección se presentan las fases que ha
tenido la elaboración de la declaración hasta
disponer de la redacción final del texto.
A. Definición del objetivo
La temática a tratar es punto de encuentro de
opiniones, iniciativas y preocupaciones diversas
que tienen que ver con temas cercanos y
relacionados, como son la falta de vocaciones
2 Asociación de Enseñantes Universitarios de la Informática 3 Confederación de Decanos y Directores de Ingeniería
Informática
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DECLARACIÓN AENUI-CODDII POR LA INCLUSIÓN DE ASIGNATURAS ESPECÍFICAS DE ... 37
infantiles y juveniles por la ingeniería informática,
los resultados académicos en los estudios
universitarios de informática, los estereotipos
asociados a la profesión de “informático”, etc. Por
ello, nos planteamos como primer paso concretar
el objetivo a lograr por el grupo de trabajo, que
quedó definido como: "Declaración AENUI-
CODDII sobre competencias TI (Tecnologías de la
Información) en primaria y secundaria,
entendiendo por competencias TI aquellas que
aporten al perfil de los egresados de secundaria la
capacidad de (1) optar por estudiar ingeniería
informática (o no) con conocimientos, habilidades
y experiencias suficientes y (2) elegir itinerarios
formativos en secundaria y bachiller apropiados
para su opción de formación superior."
B. Constitución del grupo de trabajo
Tras presentar a AENUI y CODDII el objetivo
planteado, se constituyó el equipo de trabajo
formado por miembros de ambas asociaciones. En
este grupo han trabajado profesores experimenta-
dos en docencia de grado y máster en titulaciones
universitarias de informática. En las etapas finales
de redacción se sumó al grupo un miembro de
SCIE4.
El primer contacto de los integrantes del grupo de
trabajo se realizó por correo electrónico, con la
presentación de las experiencias e intereses de
cada uno más directamente relacionados con el
objetivo del grupo. Resultó notable la presencia de
personas con vinculación con másteres
universitarios en Formación de Profesorado de
Secundaria, con tareas de docencia y/o
coordinación, con diseño de planes de estudio, con
la planificación y realización de actividades de
acercamiento del mundo de la tecnología a
estudiantes de primaria y secundaria, y con la
incorporación a la universidad y seguimiento en
sus primeros cursos de estudiantes de ingeniería.
C. Recopilación de referencias bibliográficas y
revisión
Para la recopilación de referencias bibliográficas
de interés contamos con la colaboración de todos
los miembros de AENUI y CODDII, quienes bien
por iniciativa propia al conocer nuestro objetivo o
bien en respuesta a una invitación por nuestra
parte, identificaron documentos de naturaleza
4 Sociedad Científica Informática de España. www.scie.es
diversa relacionados de una u otra manera con el
objetivo del desarrollo de las competencias TI en
la educación preuniversitaria.
Cada uno de los diferentes documentos
identificados quedó asignado a uno de los
integrantes del grupo que quedó emplazado a, tras
su lectura, preparar un resumen y un comentario de
cada uno de los documentos que le correspondió
leer.
D. Elaboración del esquema de la declaración
La primera y única reunión presencial se celebró
con los objetivos de (1) elaborar el primer esquema
de la declaración y (2) facilitar el trabajo
colaborativo posterior, al habernos conocido un
poco mejor.
Comenzamos con la presentación de la revisión
bibliográfica realizada por cada uno de los
miembros del grupo con el apoyo visual de un
máximo de cinco diapositivas, para a continuación
debatir sobre la naturaleza del documento a
producir y acordar que tendría la forma de una
introducción procedida de un conjunto de
recomendaciones, y finalizar haciendo un primer
listado de esas posibles recomendaciones.
Terminamos acordando los pasos posteriores y los
plazos para hacer la propuesta inicial de
documento al presidente de la CODDII y al
coordinador de AENUI. A partir de entonces, la
documentación y el borrador sobre el que trabajar
quedaría recogido en un repositorio online.
E.Redacción de la primera propuesta de
declaración
Dada la cantidad de ideas que surgieron durante la
reunión y el poco tiempo del que disponíamos para
la misma, fue necesario hacer un debate posterior
para ir agrupando, añadiendo y/o eliminando ideas
hasta tener la lista de lo que serían nuestras
recomendaciones. Fue donde comenzó el trabajo
más colaborativo con la utilización de documentos
compartidos, editados por los diferentes miembros
del grupo, y un considerable intercambio de
emails.
Una vez acordadas las recomendaciones, la
redacción de la introducción quedó a cargo de una
persona y las recomendaciones a cargo de otra, con
objeto de que los estilos de redacción no fueran
demasiado dispares. Ya sólo quedaba uniformizar
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38 X. CANALETA, F. SÁNCHEZ, I. JACOB, Á. VELÁZQUEZ Y M. MARQUÉS
estilo y acordar denominaciones comunes, tras lo
cual, tras un intenso debate en torno a la
nomenclatura, llegamos a la redacción de la
primera propuesta de declaración, que se presenta
en este trabajo, lista para ser presentada a AENUI
y CODDII.
Uno de los aspectos más difíciles a la hora de
redactar la declaración ha sido encontrar la
nomenclatura adecuada para definir qué
competencias informáticas debían trabajar los
estudiantes de bachillerato y secundaria. Las
asignaturas de tecnología presentes como optativas
en los actuales estudios de secundaria y
bachillerato dedican una pequeña porción de su
tiempo a la informática (ofimática, en su mayor
parte), ya que deben tratar de la tecnología en
general, y hacen especial énfasis en la informática
como usuario (manejo de editores de texto, hojas
de cálculo, etc.). Sin embargo, lo que
consideramos que los estudiantes necesitan es un
conocimiento más profundo. Hemos barajado
diferentes nomenclaturas para definir ese tipo de
conocimiento (ciencia informática, tecnología
informática, ingeniería informática, competencias
digitales o pensamiento digital, entre otras). En los
documentos consultados en inglés hemos
encontrado también diferentes nomenclaturas
(informatics, computer science, digital literacy,
etc.). Los términos digital literacy y competencias
digitales suelen referirse a la ofimática, mientras
que el resto suelen hacer referencia al tipo de
competencias informáticas que consideramos
deben ser incluidas en los currículos de secundaria
y bachillerato. Dado que no parecía procedente
hablar del término “ingeniería informática” en
estos niveles de estudios, finalmente nos
decantamos por usar el término “ciencia y
tecnología informática”.
Nota: tras comenzar nuestra andadura como grupo,
podemos decir que la hemos terminado
pareciéndonos un poquito más a un equipo. El
grupo se fue cohesionando a medida que avanzaba
el desarrollo de la tarea encomendada.
III. ANTECEDENTES
En esta sección se describen muy brevemente los
documentos más relevantes que hemos consultado
para redactar la declaración.
A .Carta CEPIS
CEPIS5(Council of European Professional
Informatics Societies) tiene un grupo de trabajo
sobre Computing in Schools que cuenta con un
representante español, miembro de ATI6,
involucrado en la docencia no universitaria. En una
de las últimas reuniones de CEPIS en Bruselas, se
sometió a aprobación una campaña europea para
solicitar a las autoridades nacionales educativas la
atención apropiada a la informática en las escuelas.
La carta se centra en destacar cuatro aspectos:
Se da muy poca prioridad en las escuelas
al estudio de la informática, lo que
produce una falta de vocación para
realizar posteriormente estudios
relacionados con la informática.
La informática y la ofimática son
complementarias. Todos los estudiantes
deberían estudiar ambas.
CEPIS ha creado recientemente una red
de especial interés para incluir la
informática en los currículos.
Esta carta debe estar firmada en cada país
por los representantes de CEPIS en dicho
país, y se debe adjuntar documentación
con sugerencias de cómo incluir la
informática en los currículos.
En la carta se mencionan dos iniciativas
interesantes: La DAE7(Digital Agenda for Europe)
y la Grand Coalition for Digital Jobs8, una
asociación puesta en marcha por la Comisión
Europea en marzo de 2013 para aumentar la oferta
global de profesionales “digitalmente” cualificados
para adaptarse mejor a la oferta y la demanda de
“competencias digitales”. Hemos preferido
mantener la traducción directa de algunos términos
para no desvirtuar el encargo de esta comisión.
B. Manifiesto SIGCSE
El Capítulo español del SIGCSE9(ACM Special
Interest Group on Computer Science Education)
redactó una declaración10
que firmaron los
representantes de diversos colegios profesionales
de informática. Se pueden incorporar nuevos
5 http://www.cepis.org/ 6 http://www.ati.es/ 7 https://ec.europa.eu/digital-agenda/ 8 http://ec.europa.eu/digital-agenda/en/grand-coalition-
digital-jobs-0 9 http://www.sigcse.es/ 10 http://www.sigcse.es/manifiesto
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DECLARACIÓN AENUI-CODDII POR LA INCLUSIÓN DE ASIGNATURAS ESPECÍFICAS DE ... 39
firmantes institucionales que den su apoyo al
manifiesto enviando un mail a
El manifiesto tiene dos puntos clave:
La ciencia y tecnología informática debe
ser una materia fundamental dentro de los
currículos de educación secundaria y
bachillerato, pasando su superación a ser
obligatoria para obtener la graduación de
los mencionados estudios y debiendo
incluirse en las pruebas de acceso a la
universidad.
La enseñanza de la ciencia y tecnología
informática debe ser impartida por
profesores con cualificación suficiente
que hayan pasado un proceso de selección
específico, como ocurre en el resto de
disciplinas fundamentales.
Al igual que en secciones anteriores, hemos
mantenido la nomenclatura para evitar malas
interpretaciones.
C. Computing at School
Computing at School (CAS)11
es una organización
que ha ido mucho más allá de redactar un simple
manifiesto. Han publicado una guía detallada (a
nivel de actividades) para incluir competencias
informáticas en estudios de primaria. Para estudios
de secundaria no han publicado una guía (todavía),
pero han definido de forma precisa las
competencias informáticas que deberían adquirir
los estudiantes.
La guía de primaria proporciona muchos consejos,
recursos e ideas para la construcción de un plan de
estudios que incluya competencias informáticas. El
plan de estudios de las TIC, que llaman
explícitamente “computing”, incluye una línea
específica de informática articulada como
disciplina objeto, independiente del uso y la
aplicación de la tecnología digital (nuevamente
hemos mantenido la nomenclatura).
Se trata de un trabajo muy completo que puede ser
usado por las escuelas de cualquier otro país para
incorporar competencias informáticas en sus
estudios de primaria y secundaria.
11 http://www.computingatschool.org.uk/
D. Competencias básicas en el ámbito digital
El Departament d’Ensenyament de la Generalitat
de Catalunya publicó, en noviembre de 2013, dos
documentos de 54 y 89 páginas con orientaciones
para el despliegue de las competencias básicas en
el ámbito de las TIC del alumnado de la primaria y
secundaria obligatoria [12, 13].
Si nos centramos en el documento de secundaria,
éste define cuatro dimensiones (instrumentos y
aplicaciones, tratamiento de la información y
organización de entornos de trabajo y aprendizaje,
comunicación interpersonal y, finalmente,
colaboración y ciudadanía, civismo e identidad
digital) y once competencias básicas. También
establece los contenidos clave, las gradaciones,
orientaciones metodológicas y de evaluación para
cada competencia. Finalmente, presenta una serie
de anexos muy útiles con cuadros de relación entre
competencias y contenidos básicos, competencias
y gradación, y propuestas de vinculación de
competencias a materias.
Si intentamos buscar información que tenga
relación directa con el tema que nos ocupa, dentro
de la dimensión de instrumentos y aplicaciones
encontramos la competencia C1 descrita como
“Seleccionar, configurar y programar dispositivos
digitales según las tareas a realizar”. En la misma
hay dos puntos clave a tener en cuenta:
La programación hace referencia al uso
de di-versos lenguajes asociados al
control de dispositivos, lenguajes web y
otros.
La robótica es un entorno de aplicación
de la programación para el
funcionamiento de arte-factos, sensores,
recogida de datos, etc.
E. Informatics in Education: Europe cannot afford
to miss the boat
Este informe, fechado en abril de 2013, ha sido
elaborado por un grupo de expertos formado por
profesores y profesionales de dos de las
asociaciones científicas más importantes en
nuestro campo: Informatics Europe y ACM Europe
[14]. Como se aprecia en el título, los autores ya
avisan de que Europa no debe perder el barco a la
hora de enseñar informática en primaria y en
secundaria.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
40 X. CANALETA, F. SÁNCHEZ, I. JACOB, Á. VELÁZQUEZ Y M. MARQUÉS
En el informe se hace hincapié en que se debe
educar tanto para conseguir una alfabetización
digital, como se ha venido haciendo hasta ahora,
como en informática, entendiendo esta como una
ciencia como pueden serlo las matemáticas o la
física. En el campo de la alfabetización digital, se
insiste en que no solo hay que enseñar habilidades,
sino también ciertas reglas que permitan hacer un
uso eficaz, seguro y ético de las herramientas. En
cuanto a la informática, además de entenderla
como una ciencia que hay que conocer para estar
preparados de cara a afrontar los empleos del
sigloXXI12
, se presenta como una herramienta que
contribuye a mirar al mundo con un nuevo
paradigma: el pensamiento computacional. El
pensamiento computacional es un proceso de
resolución de problemas que posee técnicas de
resolución de problemas y prácticas intelectuales
generales. Conocer estas técnicas y prácticas
beneficia más allá del campo de la informática,
puesto que constituyen herramientas de carácter
intelectual aplicables en todas las áreas. En el
informe se propone que la alfabetización digital se
trabaje en primaria y que la informática se inicie
también en primaria, para continuar trabajándola
en secundaria.
Es interesante destacar el motivo por el cual se ha
elaborado este informe, ya que da argumentos para
defender esta postura, y es que si no se incluye el
estudio de la informática en el currículo, Europa
acabará siendo una mera consumidora de
tecnologías diseñadas, implementadas (software) y
fabricadas (hardware) en otros lugares del
mundo13
.
En la elaboración del informe se revisó gran
cantidad de material sobre la construcción de
currículo de informática, además de diversas
experiencias, llegando a la conclusión de que sí es
posible enseñar informática en primaria y en
secundaria. Las experiencias encontradas tienen
dos principios fundamentales que se deberían
seguir siempre en la enseñanza de la informática.
1. Por una parte, la enseñanza de la
informática tiene un gran potencial
para estimular la creatividad de los
12 La informática juega el mismo papel propiciador en la
sociedad de la información como lo jugaron las matemáticas y la física en la revolución industrial.
13 Por ejemplo, India ha hecho una fuerte inversión en
formar expertos informáticos, su industria del software ha pasado de la nada, a producir 80 billones de euros anuales.
estudiantes, que debería canalizarse
para hacer cosas útiles (no
destructivas).
2. Por otra parte, la enseñanza de la
informática debe hacer énfasis en la
calidad: no solo obtener software que
sea correcto (en cuanto a su
funcionalidad), sino hacer buenas
interfaces y tener en cuenta las
necesidades de los usuarios.
F. Otros documentos consultados
Además de los mencionados, hemos consultado
otros documentos que no podemos detallar por
falta de espacio. En concreto:
Los resultados de una investigación
llevada a cabo para evaluar el impacto de
la política de innovación educativa,
desarrollada por el Gobierno de
Andalucía, mediante la implantación
masiva en las aulas de las tecnologías de
la información y la comunicación (TIC)
en centros de enseñanza de Primaria y
Secundaria (Centros TIC)14
.
El libro Tratamiento de la información y
competencia digital15
, en el que se discute
qué son el tratamiento de la información y
la competencia digital, cómo se concreta
esta competencia en los actuales
currículos de primaria y secundaria y
cómo articular la competencia digital en
la práctica educativa.
El informe16
de Francisco José Martínez
López en el que defiende la necesidad de
definir unas competencias digitales que
debería poseer todo ciudadano.
El texto de Jeannette M. Wing [11] en
que define lo que llama pensamiento
computacional. De hecho, existe una
asociación denominada
CSTA17
(Computational Thinking Task
Force) cuyo propósito es velar por el
desarrollo del pensamiento computacional
y explorar y diseminar la enseñanza y el
aprendizaje de recursos relacionados.
Caspersen y Nowack también defienden
en un artículo aceptado pero aún no
14 http://rabida.uhu.es/dspace/handle/10272/6371 15J. Vivancos Martí (2008). Madrid, Alianza. 16 http://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/2898369.pdf 17 http://csta.acm.org/Curriculum/sub/CompThinking.html
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
DECLARACIÓN AENUI-CODDII POR LA INCLUSIÓN DE ASIGNATURAS ESPECÍFICAS DE ... 41
publicado18
la necesidad de incorporar el
pensamiento digital en las escuelas.
Finalmente, la Royal Society19
ha
impulsado un proyecto en el Reino Unido
para analizar la forma en que la
informática se enseña en las escuelas. El
resultado se presenta en un informe final
cuyo título no puede ser más claro: Shut
down or restart?: The way forward for
computing in UK schools.
IV. EL MARCO EN OTROS PAÍSES
FUERA DE LA UNIÓN EUROPEA
En esta sección se describe la situación en la que
se encuentran otros países en el tema denunciado
por la declaración. Pensamos que es interesante,
para la elaboración de la declaración, disponer de
información sobre cuál es el marco en algún
referente fuera de la Unión Europea.
A. Israel
Israel aprobó y puso en marcha en 1998 un temario
de informática para educación secundaria [2]. Se
incluyen temas conceptuales y prácticos, con
énfasis en los algoritmos y usando la programación
como medio de que el ordenador pueda ejecutar
los algoritmos. En 2010 se ha actualizado el
temario.
Conscientes de ser pioneros en la enseñanza de
informática en educación secundaria, y basándose
en su experiencia, proponen un modelo para la
educación de informática en educación secundaria
[4]. En resumen, consta de cuatro componentes:
Un temario bien definido (incluyendo
libros de texto y guías para profesores).
Requisito de una acreditación en
enseñanza de la informática para poder
ser profesor.
Programas de preparación de los
profesores.
Investigación en enseñanza de la
informática.
A esos elementos, los autores añaden
posteriormente la existencia de un centro nacional
de formación de estos profesores [5, cap. 5]. Se
18 http://www.cs.au.dk/~mec/publications/conference/41--
ace2013.pdf 19 http://royalsociety.org/education/policy/computing-in-
schools/
han desarrollado todos estos puntos, de los que
comen-tamos brevemente los que quizá sean más
sorprendentes desde la perspectiva española.
En cuanto a la formación de profesores, se les
exige tener un Grado en Informática más un
diploma para la enseñanza de la informática. Este
diploma puede obtenerse mediante un curso
específico. Existe material detallado explicando
cómo poner en marcha un curso de acreditación
[5].
La comunidad israelí ha considerado fundamental
investigar sobre lo adecuado de sus enseñanzas, lo
cual ha dado lugar a una gran variedad de
resultados. Así, encontramos investigaciones sobre
temas tan variados como la recursividad [6],
eficiencia de algoritmos [3] o, ahora que está de
moda, el uso del lenguaje Scratch [7].
B. Estados Unidos
La principal ley federal de EEUU sobre educación
es la ley “No Child Left Behind”. Esta ley declara
que todos los profesores deben estar altamente
cualificados, salvo en áreas no obligatorias, entre
las cuales está la informática [10]. Por tanto, los
institutos no suelen darle la misma importancia
que a otras áreas. Su implantación depende de cada
estado y no hay orientaciones federales. Algunas
asociaciones han establecido orientaciones, como
la Computer Science Teachers Association(CSTA)
en coordinación con ACM, o la National
Association for Educational Progress (NAEP). De
hecho, el único estándar de facto son los exámenes
Advanced Placement (AP). Actualmente, acuden a
los mismos alumnos de 23.000 centros de todo el
país. El examen es casi exclusivamente de
programación con Java.
C. Otros países
El gobierno de Nueva Zelanda aprobó en 2009 la
puesta en marcha de una asignatura sobre
"Tecnologías digitales" para los tres últimos cursos
de bachillerato [1]. A pesar de su nombre, los
contenidos van en la misma línea que las demás
iniciativas aquí presentadas.
V. DECLARACIÓN AENUI-CODDII
En esta sección se incluyen las recomendaciones
que se ha juzgado oportuno realizar a las
autoridades competentes para incluir competencias
sobre ciencia y tecnología informática en el
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
42 X. CANALETA, F. SÁNCHEZ, I. JACOB, Á. VELÁZQUEZ Y M. MARQUÉS
currículo básico de secundaria y bachillerato. La
declaración comienza con una introducción que
coincide exactamente con el resumen incluido al
principio de este artículo.
A. Recomendación 1
La Ley Orgánica para la Mejora de la Calidad
Educativa (LOMCE) contempla diversas
asignaturas de tecnología en los currículos de
Secundaria y Bachillerato, pero por ser de la
categoría de específicas (y no troncales) deja a
elección del centro la posibilidad de ofertarlas o
no. Consideramos imprescindible que todas las
asignaturas de tecnología sean ofertadas por los
centros públicos, concertados o privados.
B. Recomendación 2
Todos los estudiantes deben de tener una
formación que garantice la adquisición de
competencias relacionadas con la ciencia y la
tecnología informática. Las habilidades adquiridas
como usuario de la informática son necesarias,
pero también lo son las relacionadas con la ciencia
y tecnología informática, que aportan beneficios
como la estructuración de la mente y la mejora en
la manera de razonar, útiles para la totalidad del
alumnado independientemente de su itinerario o
modalidad académica. Por ello, consideramos que
el currículo de ciencia y tecnología informática
debería ser cursado por la totalidad de los
estudiantes.
C. Recomendación 3
Para conseguir una implantación eficaz de los
contenidos relativos a ciencia y tecnología
informática es absolutamente necesaria y urgente
la formación del profesorado en este ámbito. Del
mismo modo, sería de gran utilidad la implicación
de profesores o profesionales expertos en el tema
que proporcionen contenidos (ejercicios,
proyectos, actividades, ejemplos, etc.) que puedan
ser usados por los profesores de secundaria y
bachillerato en sus asignaturas.
D. Recomendación 4
Además de potenciar en los centros educativos las
asignaturas específicas de tecnología, las
competencias relacionadas con ciencia y
tecnología informática se pueden desarrollar de
forma transversal en otras asignaturas que no sean
de tecnología. Quizá con ciertas disciplinas, como
pueden ser las matemáticas, existe mayor afinidad,
pero es posible aplicar la ciencia y tecnología
Informática en cualquiera de las áreas de
conocimiento de Secundaria y Bachillerato.
E. Recomendación 5
Los centros educativos son los responsables de
transmitir y orientar a los alumnos sobre la
importancia de la tecnología, y en particular de las
Tecnologías de la Información. Sin su apoyo no
conseguiremos fomentar las vocaciones en
ingeniería. En esta línea, sería deseable promover
actividades escolares (talleres) relacionadas con la
tecnología. A modo de ejemplo, los campos de la
robótica, la programación de videojuegos o la
programación de aplicaciones móviles ofrecen una
estupenda oportunidad para aprender y motivar a
los alumnos en esta disciplina.
VI. CONCLUSIONES
Hemos presentado la “declaración AENUI-
CODDII por la inclusión de asignaturas específicas
de ciencia y tecnología informática en los estudios
básicos de la enseñanza secundaria y bachillerato”
y su proceso de elaboración, La elaboración de la
declaración nos ha permitido realizar una
actualización, quizá no exhaustiva pero sí
importante, de la documentación en el área de las
competencias digitales y la ciencia y tecnología
informática.
Creemos que los diferentes perfiles de los
componentes del grupo de trabajo (AENUI,
CODDII y SCIE) han enriquecido el resultado
final.
Finalmente, consideramos de vital importancia
conseguir la máxima difusión de la declaración
para sensibilizar al entorno educativo y a la
sociedad de los beneficios que aporta la inclusión
de la ciencia y tecnología informática en el
currículo de secundaria y bachillerato. Este es el
motivo principal de la presentación de esta
ponencia en las Jornadas sobre la Enseñanza
Universitaria de la Informática.
REFERENCIAS
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science in New Zealand high schools. En Proc. 12th
Australasian Computing Education Conference,
ACE 2010, pp. 15-
22.J.ClerkMaxwell,ATreatiseonElectricityandMagn
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
DECLARACIÓN AENUI-CODDII POR LA INCLUSIÓN DE ASIGNATURAS ESPECÍFICAS DE ... 43
etism,3rded.,vol.2.Oxford:Clarendon,1892,pp.68–
73.
[2] J. Gal-Ezer y D. Harel. Curriculum for high school
computer science curriculum. Computer Science
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[3] J. Gal-Ezer y E. Zur. The efficiency of algorithms
misconceptions. Computers & Education,
42(3):215-226, 2004.
[4] O. Hazzan, J. Gal-Ezer. y L. Blum. A model for
high school computer science education: The four
key elements that make it! En Proc. 39th Technical
Symposium on Computer Science Education,
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[5] O. Hazzan, T. Lapidot y N. Ragonis. Guide to
Teaching Computer Science: An Activity-Based
Approach. Springer-Verlag, 2011.
[6] D. Levy y T. Lapidot. Recursively speaking:
Analyzing students' discourse of recursive
phenomena. En Proc. 31st Technical Symposium
on Computer Science Education, SIGCSE 2000,
pp. 315-319.
[7] O. Meerbaum-Salant M. Armoni y M. Ben-Ari.
Learning computer science concepts with Scratch.
En Proc. 5th International Workshop Computing
Education Research Workshop, ICER 2010, pp. 69-
76.
[8] N. Ragonis. Computing pre-university: Secondary
level computing curricula. En Encyclopedia of
Computer Science and Engineering, B.W. Wah
(eds.), John Wiley & Sons, 2009, pp. 632-648.
[9] Miguel Romero, Aurora Vizcaíno, Mario Piattini.
Competencias para desempeñar la labor de captura
de requisitos en un entorno de desarrollo global del
software. Jenui 2008.
[10] C. Wilson and P. Harsha. IT policy - The long road
to computer science education reform.
Communications of the ACM, 52(9):33-35,
september 2009.
[11] Jeannette M. Wing. Communications of the ACM.
March 2006/Vol. 49, No. 3.
http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/usr/wing/www/publi
cations/Wing06.pdf.
[12] Departament d’Ensenyament. Generalitat de
Catalunya. Competències bàsiques en l’àmbit
digital. Identificació i desplegament a l’educació
primària. Servei de Comunicació i Publicacions,
noviembre de 2013.
[13] Departament d’Ensenyament. Generalitat de
Catalunya. Competències bàsiques en l’àmbit
digital. Identificació i desplegament a l’educació
secundària obligatòria. Servei de Comunicació i
Publicacions, noviembre de 2013.
[14] Informatics Europe & ACM Europe Working
Group on Informatics Education. Informatics
education: Europe cannot afford to miss the boat.
April 2013.
Xavi Canaleta (Barcelona, 1968) es
licenciado en Informática por la
Universitat Politècnica de Catalunya en 1997 y Diploma de Estudios
Avanzados por la Universitat Ramon
Llull en 2010. Se ha especializado en los campos de la programación y
sistemas operativos así como en la formación del profesorado
en la especialidad de tecnología e innovación docente.
Desde 1990 hasta el 2001, ha sido profesor de secundaria y
bachillerato en el colegio de La Salle Gracia de Barcelona,
ejerciendo también como jefe del departamento de
matemáticas. Desde 2001 a 2015 está como profesor e
investigador en el Departamento de Ingeniería de La Salle,
Universitat Ramon Llull. Desde el 2009 es el coordinador del
Máster Universitario de Formación del Profesorado,
especialidad Tecnología y Coordinador del Grado en Ingeniería
Informática. En el campo de la investigación ha centrado su
trabajo en temas de TIC e innovación docente y evaluación por
competencias, donde ha publicado diversos artículos científicos
y divulgativos en los últimos 6 años. También dirige un
proyecto de cooperación universitaria para el desarrollo en
Perú.
Fermín Sánchez (Barcelona, 1962) es
Técnico Especialista en Electrónica
Industrial por la E.A. SEAT (Barcelona,
España, 1981), Licenciado en Informática
desde 1987 y Doctor en Informática desde
1996, los dos últimos títulos obtenidos en la
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC
BarcelonaTech, Barcelona, España). Su campo de estudio es la
arquitectura de computadores y la innovación docente.
Desde 1987 trabaja como profesor en el Departament
d’Arquitectura de Computadors de la UPC, donde es profesor
Titular de Universidad desde 1997. Ha sido consultor de la
Universitat Oberta de Catalunya (UOC) desde 1997 hasta 2010
y vicedecano de innovación de la Facultat d’Informàtica de
narcelona (FIB) desde mayo de 2007 hasta junio de 2013.
Desde julio de 2013 ocupa el cargo de adjunto de innovación en
el decanato de la FIB. Tiene varias decenas de publicaciones
relacionadas con sus temas de investigación, es revisor de
numerosas conferencias y revistas nacionales e internacionales
y autor y coautor de varios libros y capítulos de libro.
Actualmente trabaja en el desarrollo de nuevas arquitecturas
multihebra para procesadores VLIW, la sostenibilidad en las
Tecnologías de la Información y la innovación en la educación
universitaria.
El Dr. Sánchez es miembro de AENUI, es miembro del Comité
Directivo de JENUI desde septiembre de 2006 y ha sido su
presidente las ediciones 2011-2013, ha sido miembro del
Comité de Organización y Programa de diversas conferencias y
otros eventos nacionales e internacionales, es miembro de la
ONG TxT (Tecnologia per Tothom) desde 2004, director del
MAC (Museo de Arquitectura de Computadores) desde Febrero
de 2006 y miembro de la junta directiva del Cercle Fiber-FIB
Alumni desde Noviembre de 2002.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
44 X. CANALETA, F. SÁNCHEZ, I. JACOB, Á. VELÁZQUEZ Y M. MARQUÉS
Inés Jacob (Bilbao, 1967), doctora en
Informática, es profesora titular de la
Facultad de Ingeniería de la Universidad
de Deusto donde desempeña su labor
docente en el área de programación del
departamento de Ingeniería Informática.
Después de unos años de investigación en
el campo de la lingüística computacional últimamente sus
contribuciones se han producido en el ámbito de la enseñanza
universitaria de la informática, centrada en el aprendizaje por
adquisición de competencias.
Es miembro del equipo de investigación Innova en el ámbito de
la educación universitaria, reconocido por el Gobierno Vasco
como Grupo de Investigación del Sistema Universitario Vasco,
y coordinadora de la Cátedra Telefónica - Deusto de Nuevas
Tecnologías y Educación.
Es miembro de AENUI, la Asociación de Enseñantes
Universitarios de la Informática, y de la CODDII - Conferencia
de Directores y Decanos de Ingeniería Informática desde cuya
directiva coordina las aportaciones de la asociación a la
enseñanza universitaria de la informática.
J. Ángel Velázquez es Licenciado en
Informática (1985) y Doctor en
Informática (1990) por la Universidad
Politécnica de Madrid, España.
Ha sido profesor desde 1985 en la Facultad
de Informática de la Universidad
Politécnica de Madrid. En 1997 se
incorporó a la Universidad Rey Juan Carlos, donde actualmente
es Catedrático de Universidad y director del Laboratorio de
Tecnologías de la Información en la Educación (LITE). Sus
áreas de investigación son innovación docente en
programación, software educativo para la enseñanza de la
programación y visualización del software.
El Dr. Velázquez es miembro de IEEE Computer Society, IEEE
Education Society, ACM y ACM SIGCSE. También es
presidente de la Asociación para el Desarrollo de la Informática
Educativa (ADIE).
Mercedes Marqués (Valencia, 1965) es
Licenciada en Informática por la
Universidad Politécnica de Valencia
(1990) y Doctora en Informática por la
Universitat Jaume I de Castelló (2010).
Es Profesora Titular de Universidad en el
Departamento de Ingeniería y Ciencia de los Computadores
(ICC) de la Universitat Jaume I de Castelló, en la que imparte
clases desde 1993. Ha publicado más de 20 artículos sobre
docencia, ha dirigido diversos proyectos de innovación
educativa y lidera el Seminario Permanente de Innovación
Educativa sobre Eficiencia Docente en Informática, dedicado a
la práctica reflexiva de la docencia. Además, ha impartido
varios cursos de formación para profesorado universitario y de
enseñanza secundaria.
Es miembro de AENUI, la Asociación de Enseñantes
Universitarios de la Informática y obtuvo el Premio a la
Excelencia Docente Universitaria correspondiente al curso
2011-2012 en la Universitat Jaume I de Castelló.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
DECLARACIÓN AENUI-CODDII POR LA INCLUSIÓN DE ASIGNATURAS ESPECÍFICAS DE ... 45
Capítulo 5
Evaluando la inclusión de elementos que afectan a la
percepción en materiales multimedia dirigidos a
alumnos de Educación Primaria
Óscar Navarro
Equipo de Orientación
CEIP San José de Calasanz
Ciudad Real, España [email protected]
Ana Isabel Molina
Dep.Tecnologías y Sistemas Inf
E.S. Informática de Ciudad Real
Universidad Castilla-La Mancha
Ciudad Real, España [email protected]
Miguel Lacruz
Departamento de Pedagogía
Facultad de Educación
Universidad Castilla-La Mancha
Ciudad Real, España [email protected]
Title– Assessing the inclusion of elements that
affect perception in multimedia materials aimed
at primary school students
Abstract– The current educational model
requires an increasing use of multimedia
materials in the teaching and learning process.
Therefore, it is essential to focus on the design
and development of these resources. The
purpose of this research was to establish a
number of design guidelines to develop
multimedia resources for the Primary
Education stage. Three experiments were
conducted in which two different formats of
presentation of contents were compared. We
tested which were the most appropriate
settings. Eye-tracking methodology was used.
Once the data collected in the three experiments
is analyzed, it is concluded that a higher
efficiency in learning is achieved when less
complex structures are used. Distractions that
do not provide relevant information to the
student are to be avoided since they affect the
learning process to a greater o lesser extent.
Keywords – multimedia materials; eye tracking;
evaluation; design guidelines; color, redundant
information
Resumen– El actual modelo educativo demanda
cada vez más la utilización de medios y
materiales multimedia en el proceso de
enseñanza y aprendizaje de los alumnos. Por
tanto será esencial enfocar la atención en el
diseño y elaboración de estos recursos. El
objetivo de la investigación fue proporcionar
pautas de diseño (guidelines) para la
elaboración de recursos multimedia en la etapa
de Educación Primaria. Se realizaron tres
experimentos en los que fueron comparados dos
formatos distintos de presentación de
contenidos, para averiguar cuál era la
configuración más apropiada. Se utilizó la
técnica de seguimiento ocular (eye tracking).
Una vez analizados los datos recopilados en los
tres experimentos realizados, concluimos que
hay una mayor eficiencia en el aprendizaje
cuando son utilizadas estructuras visuales
menos complejas, evitando distractores que no
aportan información relevante y perjudican en
mayor o menor medida el proceso de
aprendizaje del alumno.
Palabras clave– materiales multimedia; eye
tracking; evaluación; pautas de diseño; color;
información redundante
I. INTRODUCCIÓN
En los últimos años estamos presenciando la gran
importancia que tiene el desarrollo tecnológico en
nuestro día a día. En todos los ámbitos se ha
producido un gran avance tecnológico, también en
Educación, donde es cada vez más necesario
incorporar los recursos y materiales multimedia al
proceso de enseñanza de nuestros alumnos. La
utilización de elementos como las pizarras
digitales, netbooks o internet en nuestra actividad
docente exige una mejora en la elaboración de
estos recursos. Estamos estos años en un periodo
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
47
de transición entre materiales educativos
tradicionales (libros de texto) y la incorporación de
nuevos soportes, como los libros digitales u otros
materiales en formato electrónico [1].
El principal objetivo de la presente investigación
es evaluar distintas configuraciones y formatos de
presentación de materiales y recursos educativos
multimedia. Para ello se han realizado tres
experimentos para conocer la reacción, por parte
de los niños, ante la inclusión de elementos
distractores que pueden aparecer en una
presentación multimedia. Dicha experiencia de
evaluación sirve de base para la posterior
definición de una serie de pautas de diseño de
materiales educativos multimedia. Se realizó con
anterioridad un estudio similar, pero con una
muestra más pequeña [2].
Para la realización de este estudio nos hemos
basado en los principios de aprendizaje multimedia
de Richard Mayer [3], aunque nosotros nos
referiremos al efecto de dicho aprendizaje en los
niños y niñas de Educación Primaria (6 a 12 años).
Evaluaremos en particular tres de los principios
formulados por este autor. El Principio de la
Señalización (Signaling Principle), el cual hace
referencia a que los alumnos realizan un mejor
aprendizaje cuando en los recursos educativos
utilizados se añaden señales (por ejemplo, colores)
que destacan los elementos más relevantes. El
segundo principio considerado es el Principio de
Coherencia (Coherence Principle), que plantea que
los alumnos aprenden mejor cuando las palabras,
imágenes y sonidos superfluos son excluidos de las
presentaciones. Por último, el Principio de
Redundancia (Redundancy Principle), indica que
cuando se hace uso de distintos canales de
información a la vez, se puede producir incremento
de la carga cognitiva, lo cual no beneficia al
proceso de aprendizaje. Los estudios realizados
también se pueden relacionar con las Leyes de la
Gestalt, en particular con el principio de
simplicidad, que expone que los elementos tienden
a percibirse del modo más simple que permitan las
condiciones dadas [4].
Para la realización de los tres experimentos que se
detallan en este artículo se han utilizado técnicas
de seguimiento ocular (en inglés, eye tracking).
Esta técnica hace referencia a un conjunto de
tecnologías que permiten localizar el punto de
atención de una persona, esto es, el área en la que
centra su mirada, en cada momento. De esta forma
se puede saber en qué áreas fija más su atención,
durante cuánto tiempo y qué orden sigue en su
exploración visual. El dispositivo que se utiliza se
denomina eye tracker. El eye tracking tiene un
gran potencial de aplicación en una amplia
variedad de disciplinas y áreas de estudio, desde el
marketing y la publicidad hasta la investigación
médica o la psicolingüística, pasando por los
estudios de usabilidad [5]. En el campo educativo
se han realizado menos estudios [6], aunque parece
crecer el interés en esta línea de trabajo. La
mayoría de investigaciones existentes se centran en
las etapas de Educación Secundaria y
Universitaria. En los últimos años, aunque en
menor proporción, podemos encontrar trabajos
realizados con alumnos de Educación Primaria e
incluso de varios meses de vida [6,7,8]. Esta
técnica permite registrar las fijaciones (puntos de
estabilización de la mirada) que realiza un
individuo al visualizar un contenido mostrado en
una pantalla. A partir de dichas fijaciones se
pueden calcular una serie de métricas que
permitirán evaluar y comparar distintas
configuraciones de los materiales mostrados. Para
este estudio se hará uso del número de fijaciones
hasta que enfoca la mirada la primera vez (FB) y
el tiempo hasta la primera fijación (TFF) en una
determinada zona de la pantalla (a la que llamamos
área de interés, AOI), así como el número total
(All-Sc) y la proporción de fijaciones (FC/All-Sc).
Las AOIs son las partes de la pantalla que
contienen la información más relevante o que, en
el caso de los materiales educativos, se pretende
transmitir. Para las dos primeras métricas (FB y
TFF) se tendrán en cuenta para las imágenes,
textos y teniendo en cuenta ambas.
Anteriormente se han realizado estudios en los que
se analizaba la inclusión de información
redundante en presentaciones, la cual puede
distraer la atención del alumno e influir en su
rendimiento académico, principalmente en el caso
de estudiantes universitarios [9,10]. También
encontramos algunos trabajos que valoran la
inclusión de sonidos (audio) para favorecer la
asimilación de contenidos por parte de los
alumnos, más si cabe con edades como las
consideradas en este trabajo (7 a 11 años).
Asimismo, también se ha tratado la adquisición de
conocimiento a través de múltiples canales,
utilizando la descripción mediante archivos de
audio con alumnos de edad similar [11] e incluso
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
48 ÓSCAR NAVARRO, ANA ISABEL MOLINA Y MIGUEL LACRUZ
la sustitución de textos escritos por otros hablados
para contrastar su eficacia [12,13]. La evaluación
de materiales con presencia (conjunta o separada)
de textos e imágenes para mejorar el proceso de
aprendizaje, también ha sido estudiada mediante
técnicas de seguimiento ocular, desde estudios de
Richard Mayer, con un carácter más teórico
[14,15], hasta otros que corroboran dicho
principios con alumnos de etapas educativas
similares a los considerados en este artículo [7],
posteriores [16,17], e incluso con preescolares
[18]. Otro elemento disruptor puede ser el color.
Según algunos autores, que estudian aspectos
sobre la usabilidad, en una presentación
multimedia es importante la utilización de colores
que se diferencien claramente, que destaquen
significativamente para poder distinguirlos por
saturación, brillo y tono [4,19]. Si nos referimos a
materiales educativos orientados a niños se
recomienda el uso de colores primarios y cálidos
[20]. Podemos encontrar otros estudios (con
adultos), que emplean técnicas de seguimiento
ocular, que analizan las posibilidades del uso del
color para favorecer la búsqueda de información
relevante en contenidos en los que se incluye texto
y/o ilustraciones [21,22].
II. ESTUDIO EMPÍRICO
En el presente artículo se describe un estudio
empírico que pretende analizar y valorar la
presentación de contenidos multimedia en distintos
formatos con alumnos de la etapa de Educación
Primaria, para averiguar si se produce una mayor
eficiencia en la retención de contenidos si éstos se
presentan con ausencia de elementos disruptivos y
distractores.
Dicha investigación se llevó a cabo en el C.P San
José de Calasanz de Tomelloso (Ciudad Real). La
dirección del centro y los tutores de segundo y
sexto curso de Educación Primaria colaboraron en
estas prácticas. Se escogieron estos dos cursos
porque constituyen dos momentos evolutivos muy
representativos de la Educación Primaria, con
diferencias psicoevolutivas y de desarrollo muy
marcadas, que no están tan delimitadas en otros
niveles. Se ha evitado el primer curso de esta
etapa, dado que las destrezas lingüísticas pueden
presentar mucha diversidad, mientras que en
segundo hay más uniformidad al respecto.
La experimentación realizada consta de tres
estudios. El planteamiento metodológico
experimental es muy similar, y se describe en las
siguientes subsecciones. A continuación se
comentará, de forma individual, los aspectos más
específicos de cada uno.
A. Participantes
En estos experimentos han participado 89 alumnos
de Educación Primaria, 47 de segundo curso (M =
7,55, SD = 0,29) y 42 de sexto (M = 11,72, SD =
0,41). Se realizaron pruebas con anterioridad para
que las presentaciones tuvieran la duración y
estructura adecuada. Dadas las características
evolutivas de los alumnos de segundo curso y sus
dificultades para mantener la atención, fue
necesario un mayor ajuste del tiempo de
presentación destinada a dicho grupo de alumnos.
B. Material educativo
Las presentaciones mostradas a los alumnos
estaban compuestas por imágenes, texto y sonido
elaborados con distinto software (Adobe Flash
CS5, PowerPoint 2007, Gimp, Sound Forge 8.0b y
Tobii Studio 3.0.5.301). Distintos materiales
fueron elaborados en función de las características
de cada uno de los tres experimentos.
Se utilizaron el Test de Felder [23] y el Test Breve
de Kaufman (K-Bit) [24] para la formación de dos
grupos homogéneos. También fue aplicado un
cuestionario con preguntas abiertas sobre los
conocimientos previos de los alumnos. A
continuación los niños observaron en la pantalla
toda la presentación, y terminaron realizando una
actividad con la que se pretendía conocer el nivel
de asimilación de los contenidos mostrados.
Dichos contenidos están enmarcados en el anexo II
del Real Decreto 1513/2006, de 7 de diciembre,
por el que se establecen las enseñanzas mínimas de
la Educación Primaria. Concretamente los
contenidos pertenecen al bloque de contenidos
número tres del área de Matemáticas (Geometría),
en el que se hace referencia a “la identificación y
descripción de las formas planas, sus elementos,
así como la situación en el plano de ángulos y
giros, y el reconocimiento de regularidades y
simetrías” [25]. Se pueden encontrar otros estudios
que han centrado su trabajo en el área de
Matemáticas [1,26], incluso alguno ha utilizado
expresamente figuras geométricas [21].
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
EVALUANDO LA INCLUSIÓN DE ELEMENTOS QUE AFECTAN A LA PERCEPCIÓN EN ... 49
C. Equipamiento y espacios utilizados
Las distintas pruebas se realizaron en las clases de
sexto y segundo curso, el aula de apoyo y en el
aula de Informática. Para el registro de datos se
utilizó un dispositivo Tobii modelo X60, que
requiere un software específico, Tobii Studio
3.0.5.301, necesario para la calibración, el diseño
de la presentación, la recogida de datos y el
posterior cálculo de las distintas métricas que
recopilan información sobre las fijaciones que
realizan los alumnos en la pantalla.
D. Diseño experimental
Fig. 1. Diseño del experimento 1
En la Figura 1 podemos ver el esquema seguido en
las experiencias realizadas. Se realizó un proceso
de muestreo, en el cual se ha utilizado el método
de muestreo por cuotas” [27], dado que conocemos
a los individuos de la población. Las características
a partir de las cuales se realiza dicho proceso son
el cociente intelectual y el estilo de aprendizaje. El
primero se calculó mediante la aplicación del Test
Breve de Kaufman (K-BIT). Se realizó
individualmente, con una duración aproximada de
quince minutos por alumno. Esta prueba permite la
medida diferenciada de la inteligencia verbal y no
verbal, muy útil en el ámbito clínico y escolar.
Para averiguar el estilo de aprendizaje de los niños
y niñas, se aplicó el Test de Felder en grupo. Las
44 preguntas fueron cumplimentadas adaptando el
lenguaje a la edad de los alumnos (principalmente
en segundo curso), y dando las explicaciones
pertinentes en el caso de que algún alumno no
comprendiera correctamente la pregunta. A partir
de las dos pruebas realizadas (K-BIT y Test de
Felder) fueron establecidas dos muestras
homogéneas para cada uno de los cursos
seleccionados (2º y 6º). El Grupo Experimental en
el que se aplican formatos con presencia de
elementos distractores y el Grupo de Control con
ausencia de dichos elementos. Más adelante se
hace referencia a los Grupos 1 y 2 y se especifica
en cada experimento si corresponden al Grupo de
Control o Experimental.
Posteriormente, y ya de forma individual, los
alumnos realizaron un cuestionario de
conocimientos previos sobre los contenidos que
iban a visualizar. Dicho cuestionario, como en
otros estudios similares [7], consistió en preguntas
abiertas en las que tenían que dibujar y escribir sus
conocimientos sobre los contenidos que iban a
estudiar a continuación. Al finalizar dicho
cuestionario comenzó la fase de calibración del eye
tracker, resultando ésta muy favorable en
prácticamente todos los casos, obteniéndose
medidas de calidad de muestreo superiores al 90%.
Después de calibrar comenzó la presentación de
contenidos en el monitor. Una vez finalizada la
presentación de contenidos, los alumnos
cumplimentaron el Posttest, para evaluar los
conocimientos adquiridos durante la fase de
observación. Las actividades propuestas tienen la
misma estructura y características que las
realizadas en el centro educativo, a las que están
acostumbrados. Fueron dadas las indicaciones
necesarias antes de presentar los materiales a los
alumnos, siempre en el mismo orden, con un
lenguaje y explicaciones sencillas y más claras
para los alumnos de 2º, dado que su desarrollo
evolutivo requiere un trato distinto que el dado a
los niños y niñas de 6º curso.
En la Figura 1, comentada anteriormente, podemos
ver las variables dependientes e independientes
consideradas en la investigación. En los tres
experimentos aparecen las mismas, excepto una,
que en el primer experimento es el color, en el
segundo la inclusión de texto redundante y en el
tercero la aparición de elementos disruptivos.
II.1 Experimento 1
Esta primera práctica trata de evaluar el uso del
color en la presentación combinada de imágenes y
texto. Los alumnos del Grupo Experimental
(Grupo 2) observaron una imagen en color, con
combinaciones que hacen buen contraste, lo cual
favorece la percepción y visualización de los
contenidos por parte del alumno [4,19]. Fueron
usados colores primarios y cálidos, más
recomendables al crear contenidos dirigidos a
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50 ÓSCAR NAVARRO, ANA ISABEL MOLINA Y MIGUEL LACRUZ
niños, frente a los tonos pastel, como los
presentados para el Grupo de Control (Grupo 1)
[20]. La hipótesis para este primer estudio es:
H1: Se producirá una mayor eficiencia en la
retención de contenidos si se incluye codificación
con colores que hacen buen contraste.
Basándonos en la bibliografía de Richard Mayer,
tendremos en cuenta el Principio de la
Señalización (Signaling Principle) que hace
referencia a la necesidad de agregar señales que
resalten la organización de elementos relevantes.
Plantearemos situaciones que tiendan a la sencillez
y claridad para favorecer dicho aprendizaje
(principio de simplicidad Gestalt). El bloque de
contenidos al que se refieren los materiales
mostrados en ambos niveles es el mismo,
“Interpretación y representación de las formas y la
situación en el espacio”. Sin embargo, dichos
contenidos tienen distinta naturaleza debido que
surgieron inconvenientes en la recogida de datos
para el nivel de 6º de Educación Primaria y hubo
que sustituir la presentación elaborada en un
primer momento.
II.2 Experimento 2
Para la segunda práctica variaba la inclusión de
texto en la presentación. En ambos casos fue
incorporada una narración oral (audio) idéntica.
Para el Grupo Experimental (Grupo 2) únicamente
aparecen imágenes y narración oral. En cambio,
para el Grupo de Control (Grupo 1) aparece otro
elemento extra, un texto escrito que reproduce las
mismas palabras que incluye la grabación de
audio. La hipótesis para este experimento es:
H2: Se producirá una mayor eficiencia en la
retención de contenidos si éstos se presentan con
imágenes y narración oral, en vez de imágenes,
narración oral y texto escrito.
Recurriendo otra vez a la bibliografía de Richard
Mayer, tendremos en cuenta el principio de la
Redundancia (Redundancy Principle). Según éste,
la utilización de imágenes y narración oral (audio),
favorecerá más el aprendizaje que si además se
incluye texto escrito. Los contenidos trabajados
son los mismos en ambos cursos, pero con un nivel
de complejidad diferente. En 2º se usan imágenes y
textos de mayor tamaño, mientras que en 6º se
utilizan textos más extensos y con letra más
pequeña, dado que han cursado cuatro cursos más
en la etapa de Primaria y han desarrollado más las
destrezas lingüísticas.
II.3 Experimento 3
En esta práctica fue incluida como variable la
aparición de elementos extraños, imágenes
superfluas en el borde y sonidos cada vez que
aparece la siguiente diapositiva. Para el Grupo
Experimental (Grupo 2) aparecen estas imágenes
superfluas, mientras que no es así para el Grupo de
Control (Grupo 1). La hipótesis para este tercer
experimento es:
H3: Se producirá una mayor eficiencia en la
retención de contenidos si éstos se presentan sin
elementos disruptivos, en vez de aparecer con
imágenes y sonidos superfluos.
Según el principio de Coherencia (Coherence
Principle), una presentación multimedia
favorecerá el aprendizaje si se evita la aparición de
elementos extraños. Igualmente, también
señalaremos el principio de simplicidad de la
Gestalt y, como en los casos anteriores, se tenderá
a buscar formas simples, sin elementos disruptivos
que puedan distorsionar o desviar la atención,
como los sonidos o imágenes que no aportan
información nueva en los bordes de la diapositiva.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
III.1 Experimento 1
El Grupo 2, Experimental (amarillo), representa en
la Figura 2 a los alumnos a los que se les muestran
imágenes y texto con una combinación de colores
que hacen buen contraste, frente a los del Grupo 1,
de Control (verde) cuya configuración dificulta la
percepción por parte del alumno. Apreciamos una
clara diferencia en el tiempo empleado por los
niños y niñas de segundo curso para observar la
pantalla. Utilizando el valor calculado por la t de
Student con un nivel de significación de 0,05,
obtenemos un valor de t=1,82 (p=0,041) en el
tiempo empleado. Por tanto podemos afirmar que
para el Grupo 2 se realiza la observación en un
tiempo significativamente menor. La puntuación
obtenida para segundo curso en el Posttest es
superior para el Grupo 2. Pero al realizar los
cálculos estadísticos se obtienen valores inferiores
al valor crítico, por lo que afirmamos que no se
encuentran diferencias significativas. En el caso de
sexto curso obtenemos datos similares. El tiempo
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utilizado por el Grupo 2 es significativamente
menor, con un valor de t=1,81 (p=0,039). Los
resultados del Posttest son prácticamente idénticos
y no se aprecian diferencias significativas como
sucedía en el caso anterior.
Fig. 2. Posttest y Tiempo Total. Experimento 1
Respecto a las métricas proporcionadas por el eye
tracker, en segundo curso no hay diferencias
significativas en la mayoría de las métricas. Se
obtienen resultados similares en las fijaciones
antes de enfocar la mirada en un AOI (FB), el
número de todas las fijaciones en la pantalla (All-
Sc) y la proporción de fijaciones en un AOI (FC-
T/All-Sc). Sin embargo, sí podemos afirmar que
para el Grupo 2 es menor la duración antes de
centrar la mirada en las AOIs (TFF), tanto en total,
en imágenes y en textos con unos valores de la t de
Student de t=1,68 (p=0,054), t=1,33 (p=0,096) y
t=1,44 (p=0,081) respectivamente. Pero sólo
podemos hacer estas afirmaciones con un nivel de
significación de 0,1. En sexto curso también
encontramos una métrica sin diferencias
significativas, la proporción de fijaciones en un
AOI (FC-T/All-Sc). Sí encontramos que es menor
para el Grupo 2 la duración (TFF) y el número de
fijaciones (FB) antes de centrar la mirada en las
AOIs, tanto en el total, imágenes y texto, aunque
con distintos nivel de significación. Para el tiempo
empleado hasta la primera fijación en textos (TFF-
tx) obtenemos unos valores de t=1,72 (p=0,047), y
el número de fijaciones antes de enfocar la mirada
en las imágenes (FB-im) y en total (FB-all), con
t=1,80 (p=0,043) y t=1,81 (p=0,043). Todas ellas
con un nivel de significación de 0,05. Respecto al
tiempo empleado hasta la primera fijación en
imágenes (TFF-im) y en total (TFF-all) obtenemos
unos valores de t=1,67 (p=0,055) y t=1,58
(p=0,066) respectivamente, y el número de
fijaciones antes de enfocar la mirada en los textos
(FB-tx), con t=1,43 (p=0,08). Estas últimas tres
métricas con un nivel de significación de 0,1
únicamente. Por último, también se registran un
menor número de todas las fijaciones en la pantalla
(All-Sc) para el Grupo Experimental, con t=1,41
(p=0,084).
La primera conclusión a la que podemos llegar al
analizar los resultados es que fueron obtenidas
puntuaciones similares en el Posttest, tanto en
segundo como en sexto curso, pero en menos
tiempo en el caso del Grupo Experimental (el que
observa un formato con imágenes y colores que
hacen un mejor contraste), lo cual favorece la
retención de contenidos, tal y como se ha
enunciado en la hipótesis inicial. Por lo tanto, en
ambos niveles educativos, se consiguió una mayor
eficiencia en el aprendizaje, tal como enuncia el
Principio de Señalización de Mayer. Estos
resultados fueron confirmados en mayor o menor
medida al revisar las métricas registradas por el
eye tracker. Para los alumnos de segundo curso, el
Grupo 2 (Experimental) centra la mirada en un
tiempo inferior en las AOIs. Para sexto curso
apreciamos una tendencia similar. Los alumnos del
Grupo Experimental en este caso centran su
atención en menos tiempo y con un número menor
de fijación en las AOIs. Asimismo, el número total
de fijaciones en la pantalla es menor para el Grupo
2. Estos datos indican una mayor eficiencia en la
búsqueda de las áreas de interés en ambos niveles
educativos. Sin embargo en segundo curso sólo
podemos hacer esta afirmación con un nivel de
significación de 0,1 y en sexto hay varias métricas
más que confirman la eficiencia. Por tanto, la
utilización de colores que hacen un mejor contraste
tendrá una mayor influencia cuando se utilizan con
los alumnos de sexto curso.
III.2 Experimento 2
El Grupo 2, de Control (amarillo), representa en la
Figura 3 a los alumnos a los que se les muestran
únicamente imágenes y narración oral, frente a los
del Grupo 1, Experimental (verde) cuya
configuración incluye además texto escrito
redundante. El tiempo empleado por los niños y
niñas del Grupo 1 de segundo curso para observar
la pantalla es mayor. Utilizando el valor calculado
por la t de Student con un nivel de significación de
0,01, obtenemos un valor de t=2,62 (p=0,006). La
puntuación obtenida para segundo curso en el
Posttest es prácticamente idéntica, confirmado al
realizar los cálculos estadísticos, pues no
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aparecieron diferencias significativas. Respecto a
sexto curso, se obtuvieron datos similares. El
tiempo utilizado por los alumnos del Grupo 1
también es mayor, con un valor de t=2,025
(p=0,025). En cuanto a los resultados del Posttest,
son ligeramente inferiores para Grupo 2, sin
embargo no se encuentran diferencias
significativas cuando calculamos el valor de la t de
Student.
Fig. 3. Posttest y Tiempo Total. Experimento 2
Respecto a las métricas que nos proporciona el eye
tracker, en ambos cursos observamos algunas
métricas que podrían indicar valores favorables
para el Grupo Experimental (Grupo 1), al cual fue
mostrado texto redundante. Éstas son el tiempo
empleado (TFF-T) y el número de fijaciones (FB-
T) a una AOI antes de la primera fijación, para
segundo curso, y la proporción de fijaciones en las
AOIs (FC-T/All-Sc) en ambos niveles educativos.
Sin embargo son valores esperados al contar la
presentación del Grupo 1 con dos áreas de interés
frente a una sola para el Grupo 2. Para segundo
curso, los alumnos del Grupo 2 utilizan menos
tiempo (TFF-Im) y menos fijaciones (FB-Im) hasta
que observan las imágenes por primera vez, con
t=2,46 (p=0,01) y t=2,65 (p=0,007)
respectivamente. Además, para este Grupo 2 es
menor el número de todas las fijaciones en la
pantalla (All-Sc), con t=3,72 (p<0,001), y mayor la
proporción de fijaciones en las imágenes (FC-
T/All-Sc), con t=5,56 (p<0,001). Los resultados
son similares, pero más concluyentes para sexto
curso, presentando diferencias en más métricas y
en casi todas con un nivel de significación de 0,01.
Los alumnos del Grupo 2 también utilizan menos
tiempo (TFF-Im) y menos fijaciones (FB-Im) hasta
que miran las imágenes por primera vez, con
t=5,26 (p<0,001) y t=5,28 (p<0,001)
respectivamente. Pero incluso es menor el tiempo
(TFF-T) y número de fijaciones (FB-T) hasta la
primera fijación en todas las AOIs, a pesar de
haber menos áreas de interés, con t=2,73 (p=0,005)
y t=2,28 (p=0,015), esta última con un nivel de
significación de 0,05. Como sucedía con segundo
curso, para el Grupo 2 es menor el número de
todas las fijaciones en la pantalla (All-Sc), con
t=4,05 (p<0,001), y mayor la proporción de
fijaciones en las imágenes (FC-T/All-Sc), con
t=5,08 (p<0,001).
La primera conclusión a la que podemos llegar al
analizar los resultados es que fueron obtenidas
puntuaciones similares en el Posttest, tanto en
segundo como en sexto, pero en menos tiempo en
el caso del Grupo de Control (el que únicamente
observa imágenes y escucha narración oral, sin
texto redundante). Por lo tanto, en ambos niveles
educativos se consigue una mayor eficiencia en el
aprendizaje, tal como enuncia el Principio de la
Redundancia de Mayer. Estos resultados se
confirman al revisar las métricas registradas por el
eye tracker. Para los alumnos de segundo curso, el
Grupo 1 realiza una búsqueda más eficiente en el
caso de las imágenes, confirmado al realizarse un
menor número de fijaciones totales. Para sexto
curso los resultados muestran una mayor eficiencia
para el Grupo 1 con un nivel de significación más
alto, incluso teniendo en cuenta todas las áreas de
interés, no sólo las imágenes. También se refleja
esta eficiencia en el número y la proporción de
fijaciones. Por tanto la configuración en la que se
incluye texto redundante que no aporta
información nueva es menos eficiente. En el
Posttest se ha obtenido una puntuación ligeramente
superior para el Grupo 1, posiblemente porque se
ha aportado una información extra, sin embargo no
se aprecian diferencias significativas.
III.3 Experimento 3
El Grupo 1, de Control (verde) representa en la
Figura 4 a los alumnos a los cuales se muestran
imágenes y texto, frente a los del Grupo 2,
Experimental (amarillo), cuya configuración
incluye imágenes y sonidos superfluos. Se aprecia
diferencia en el tiempo empleado por los niños y
niñas de segundo curso para observar la pantalla.
Utilizando el valor calculado por la t de Student
con un nivel de significación de 0,05, obtenemos
un valor de t=1,89 (p=0,033) en el tiempo
empleado. Por tanto afirmamos que para el Grupo
1 se realiza la observación en un tiempo
significativamente menor. La puntuación obtenida
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para segundo curso en el Posttest es ligeramente
superior para el Grupo 1, aunque bastante similar.
Después de realizar los cálculos estadísticos no se
encuentran diferencias significativas. Para sexto
curso se obtienen datos idénticos. El tiempo
utilizado por los alumnos del Grupo 1 es menor,
con valores de t=2,96 (p=0,003). Los resultados
del Posttest son ligeramente superiores para el
Grupo 1, aunque igual que en el otro nivel
educativo, no se encuentran diferencias
significativas.
Fig. 4. Posttest y Tiempo Total. Experimento 3
En cuanto a las métricas registradas por el eye
tracker, en segundo curso se observa que es menor
el tiempo empleado hasta la primera fijación (TFF)
y el número de fijaciones antes de enfocar la
mirada (FB) en el caso de los textos y el total. Con
un nivel de significación de 0,05 el número de
fijaciones previas con t=1,85 (p=0,036). El tiempo
antes de centrar la mirada en los textos, t=3,15
(p=0,002), y en total, t=2,72 (p=0,005), así como
el número de fijaciones antes de ver el texto, con
t=3,01 (0,002), se puede afirmar con un nivel de
significación de 0,01. El número total de fijaciones
en pantalla (All-Sc) es menor para el Grupo 1 con
t=2,49 (p=0,008), también con un nivel de
significación de 0,01. En sexto curso se observa
que no hay diferencias significativas en el tiempo
empleado hasta la primera fijación (TFF) y el
número de fijaciones antes de enfocar la mirada
(FB), tanto en imágenes, textos o en el total. Sí
apreciamos que es menor el número de fijaciones
totales para el Grupo 1 (All-Sc) con un nivel de
significación de 0,01 y valores de t=3,18
(p=0,002). También la proporción de fijaciones en
un AOI (FC-T/All-Sc) es mayor para el Grupo 1
con t=1,421 (p=0,082), aunque sólo lo podemos
afirmar con un nivel de significación de 0,1.
La primera conclusión a la que podemos llegar al
analizar los resultados es que se obtienen
puntuaciones ligeramente mayores, pero sin
diferencias significativas en el Posttest, tanto en
segundo como en sexto. Sin embargo, se dedica
menos tiempo en el caso del Grupo 1 (de Control),
por lo que se consigue una mayor eficiencia en el
aprendizaje cuando no se incluyen imágenes y
sonidos superfluos, confirmando el Principio de
Coherencia de Mayer. Respecto a las métricas
registradas por el eye tracker, los alumnos de
segundo curso enfocan antes la mirada en las AOI,
lo cual muestra una mayor eficiencia en la
búsqueda, principalmente en los textos. Además
con un nivel de significación muy alto. También
observamos que el Grupo Experimental realiza
aproximadamente un 50% más de fijaciones totales
en pantalla, reflejando una menor eficiencia que
para el Grupo de Control. En sexto curso sólo se
puede confirmar esta eficiencia en el número de
fijaciones y en la proporción de las mismas en las
AOI, aunque a un nivel de significación bajo, en el
caso de esta última. Por tanto, podemos afirmar
que la inclusión de elementos superfluos en una
presentación resta eficiencia en ambos niveles
educativos, aunque con una mayor relevancia en
segundo curso y principalmente en la observación
de los textos. Es un resultado esperado, pues en los
primeros años de la etapa de Educación Primaria
los niños se distraen y tienen mayor dificultad para
la comprensión de textos que en sexto, donde no se
han observado importantes diferencias.
IV. CONCLUSIONES Y TRABAJO
FUTURO
Una vez analizados los resultados de los tres
experimentos podemos concluir que la aparición
de elementos distractores reduce la eficiencia en el
aprendizaje. Ya sea por el empleo de colorido no
adecuado, exposición de información textual
innecesaria o la inclusión de de sonidos e imágenes
superfluos (cuyo objetivo en muchas ocasiones es
puramente estético), se puede perjudicar la
retención de los contenidos, entre otras cosas,
porque se necesite más tiempo para la observación
(y asimilación) de los contenidos visualizados en
pantalla. La atención se centra más tarde en la
mayoría de los casos, generando un número mayor
de fijaciones, en las versiones en las que se
incluyen elementos distractores. Todo ello
perjudica la eficiencia en la búsqueda de las áreas
que tienen mayor interés para el alumno (es decir,
aquellas que contienen los contenidos a asimilar).
También en estos casos se producen un mayor
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54 ÓSCAR NAVARRO, ANA ISABEL MOLINA Y MIGUEL LACRUZ
número de fijaciones totales en pantalla y una
proporción menor, lo cual viene a confirmar que la
localización (y la consiguiente retención) de los
contenidos se podría hacer de forma más eficiente.
Estos resultados son similares a los obtenidos en
otros estudios consultados en la bibliografía.
Hemos comprobado empíricamente que los tres
principios de Mayer mencionados se cumplen en
mayor o menor medida, con ciertos matices para
cada uno de los experimentos y para cada uno de
los cursos que intervienen en esta investigación.
Una vez revisados los tres experimentos podemos
ofrecer unas primeras pautas (o guidelines),
aplicables en el diseño de contenidos multimedia
dirigidos a alumnos de Educación Primaria, y
relativas a la inclusión de elementos que pueden
distraer la atención y perjudicar una correcta
asimilación de los contenidos. Estas pautas son:
Se recomienda, en el caso de materiales
educativos multimedia dirigidos a alumnos de
Educación Primaria, la utilización de colores
primarios y cálidos, que hagan buen contraste,
y que permitan diferenciar mejor las imágenes
y textos, frente a tonos pastel, cuyo uso es
menos aconsejable en estas edades.
En los experimentos se ha observado que en el
caso de los alumnos de sexto curso se consigue
una mayor eficiencia en la búsqueda (tanto de las
imágenes como de los textos).
Se recomienda, en el caso de materiales
educativos dirigidos a alumnos de Educación
Primaria, no incluir texto redundante en las
presentaciones, pues su uso puede afectar
negativamente a la localización de los
elementos más relevantes (aquellos que
contienen los conceptos a asimilar).
En ambos niveles educativos se ha comprobado
empíricamente que se consigue una mayor
eficiencia si se excluye el uso de texto extra,
siendo mayor el efecto en el caso de los alumnos
de sexto curso.
Se recomienda, en el diseño de materiales
educativos multimedia orientados a con
alumnos de Educación Primaria, evitar la
utilización de elementos distractores (como
imágenes innecesarias en los bordes o sonidos
superfluos) que desvíen la atención de las áreas
de mayor interés.
Se ha podido verificar en los experimentos
realizados que se consigue una mayor eficiencia en
ambos niveles educativos, siendo más evidente en
el caso de los alumnos de segundo curso, y
principalmente en la observación de textos.
En estudios futuros puede ser de interés ampliar
esta línea de investigación con otros experimentos
en los que se evalúe la inclusión de otros
elementos distractores, que pueden influir en la
percepción de los niños, tales como banners
(formato publicitario visual en internet) o un
layout (posicionamiento de los elementos)
inadecuado en pantalla.
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[27] Kish, L., “Muestreo de Encuestas”, Trillas, México,
1975.
AGRADECIMIENTOS
Los autores quieren agradecer al Grupo
CHICO de la UCLM por facilitar el uso del
dispositivo Tobii X60, así como a la dirección,
tutores y alumnos de 2º y 6º curso de Educación
Primaria del CEIP San José de Calasanz por haber
participado en la realización de dichos
experimentos.
Óscar Navarro es diplomado en
Magisterio por la Universidad
Complutense de Madrid y
Licenciado en Ciencias de la
Educación por la Universidad
Nacional de Educación a Distancia.
Maestro en escuelas de educación
infantil y primaria y en institutos de
educación secundaria desde 1997, ha
impartido cursos presenciales y
online relacionados con el ámbito
educativo. Asimismo ha impartido
clases en el Centro de Estudios
Universitarios de Talavera de la Reina. Sus principales áreas de
interés son la elaboración y aplicación de materiales multimedia
con alumnos de la etapa de Educación Primaria, así como la
utilización de sistemas LMS y prácticas de e-learning
Ana Isabel Molina es Doctora en
Ingeniería Informática (2007) por la
Universidad de Castilla-La Mancha
(UCLM). Actualmente es Profesora
Contratada Doctora en la Escuela
Superior de Informática de Ciudad
Real, y miembro del grupo de
investigación CHICO (Computer-
Human Interaction and
Collaboration) de la UCLM. Sus
principales áreas de interés son la
Interacción Persona-Ordenador, los
Sistemas Colaborativos y los Nuevos Paradigmas de
Interacción aplicados a la Educación.
Miguel Lacruz Doctor en Ciencias
de la Educación, ha sido director de
Instituto de Educación Secundaria,
asesor en Centros de Profesores e
Inspector de Educación en la
provincia de Ciudad Real. Es
Profesor Titular en la Facultad de
Educación de Ciudad Real, en la
UCLM, en el área de Didáctica y
Organización Escolar donde ha
impartido diversas materias de los
Grados de Infantil y Primaria. También imparte docencia en el
Máster del Profesorado de Educación Secundaria. Ha sido
ponente en diversos congresos nacionales e internacionales,
autor de varios libros y tiene publicadas multitud de artículos en
revistas nacionales e internacionales relacionadas con la
didáctica, la organización escolar y las nuevas tecnologías
aplicadas a la educación.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
56 ÓSCAR NAVARRO, ANA ISABEL MOLINA Y MIGUEL LACRUZ
Capítulo 6
EvDebugger: Las gramáticas de atributos hechas
fáciles
Daniel Rodríguez-Cerezo
Fac. Informática
Universidad Complutense de
Madrid
Madrid ,Spain
Pedro Rangel Henriques
Departamento de Informática
Escola de Engenharia
Universidade do Minho
Braga, Portugal
José-Luis Sierra
Fac. Informática
Universidad Complutense de
Madrid
Madrid , Spain
Title– Attribute grammars made easier:
EvDebugger
Abstract– Compiler construction courses are
usually considered by the students as a difficult
subject of the Computer Science degree. The
main problem found by the students is to fully
understand the theoretical concepts taught
during the course and its practical application
to build a compiler. In this paper, we present a
platform for the development and debugging of
language processors based on attribute
grammar-oriented specifications. The main aim
of this tool is to help students to design their
own language processors, supported by the
visual debugger included. The animations
provided by EvDebugger show, in an attractive
way, how the attribute evaluation process is
performed. In this way, students are able to
solve design problems, improve the effectiveness
and efficiency of their language processors and
understand their operation through
experimentation and debugging provided with
the software tool. Besides, we performed an
assessment study with students of a Compiler
Construction course whose results are
presented and discussed in this paper.
Keyworks– Education in Compiler
Construction; Attribute Grammars; Debugger;
Compiler Generator
Resumen– Los cursos de Construcción de
Compiladores son considerados usualmente por
los estudiantes como una asignatura difícil
durante la carrera de Ingeniería en
Informática. La principal problemática de estos
cursos es entender completamente los conceptos
teóricos impartidos, y su aplicación práctica
para construir un compilador. En este trabajo,
presentamos una plataforma para el desarrollo
y depuración de procesadores de lenguajes
especificados mediante el formalismo de las
gramáticas de atributos. El principal propósito
de esta herramienta es ayudar a los alumnos a
diseñar sus propios procesadores de lenguaje,
mediante el depurador visual incluido. Las
animaciones proporcionadas por EvDebugger
muestran, de forma atractiva, cómo se realiza el
proceso de evaluación de los atributos. De esta
forma, los estudiantes son capaces de resolver
los posibles problemas de diseño, mejorar la
eficiencia y eficacia de sus procesadores de
lenguajes, y entender su funcionamiento
mediante la experimentación y depuración
ofrecida por la herramienta software. Además,
hemos realizado un estudio de valoración con
estudiantes de la asignatura de Construcción de
Compiladores cuyos resultados son presentados
y discutidos en este trabajo.
Palabras clave– Enseñanza de la Construcción
de Compiladores; Gramáticas de Atributos;
Depurador; Generador de Compiladores
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
57
I. INTRODUCCIÓN
Las principales recomendaciones curriculares[1]
para la Informática señalan la construcción de
procesadores de lenguaje como un aspecto
importante que debe enseñarse a los estudiantes de
ingeniería informática. Por ello, la mayoría de
planes educativos de ingeniería en informática
incluyen una asignatura relacionada con la
Construcción de Compiladores. Durante un curso
de esta asignatura, hay un balance entre los
conceptos teóricos y su aplicación práctica para la
construcción de procesadores de lenguaje[2]. Los
estudiantes, además, tienen que realizar como
proyecto final el diseño e implementación de un
compilador. Sin embargo, los estudiantes
encuentran, durante el desarrollo de esta tarea,
muchos problemas debidos, principalmente, a que
los alumnos no son capaces de conciliar la parte
teórica con la práctica para construir el procesador.
Desde nuestra experiencia, hemos observado que
los estudiantes no suelen prestar atención a los
detalles relacionados con el diseño del compilador,
centrándose principalmente en su implementación.
Al evaluar estos proyectos, hemos detectado
deficiencias que podrían haber sido fácilmente
subsanadas con un diseño más trabajado.
En un curso de Construcción de Compiladores, se
presentan diferentes técnicas y formalismos para
diseñar y especificar procesadores de lenguaje.
Tradicionalmente, las gramáticas de atributos
(GAs) han sido utilizadas para describir el
procesamiento semántico llevado a cabo por los
procesadores de lenguaje[14]. Idealmente, los
estudiantes deberían hacer uso de este formalismo
para diseñar sus compiladores, y validarlos
mediante métodos formales. Sin embargo, los
estudiantes no suelen validar sus diseños
especificados mediante una GA, lo que lleva a
diferentes problemas a la hora de realizar la
implementación. Cuando los estudiantes plantean
el diseño de sus compiladores mediante una GA, el
primer y principal problema que encuentran es
decidir qué atributos (heredados o sintetizados)
precisan. Después, los estudiantes encuentran
problemas a la hora de definir las ecuaciones
semánticas adecuadas ya que tienen problemas
para entender completamente las dependencias
entre atributos que se derivan de dichas
ecuaciones, en particular su orden de evaluación.
Por ello, este trabajo se centra en este problema.
Con el objetivo de ayudar a los alumnos a validar
sus diseños basados en GAs, hemos desarrollado
una herramienta software para la especificación de
procesadores de lenguajes basada en dicho
formalismo, llamada EvDebugger. EvDebugger
incluye, además, un depurador visual que ayuda a
los estudiantes a entender el proceso de evaluación
derivado de sus especificaciones y, así, poder
identificar los potenciales errores de diseño, de una
forma atractiva e intuitiva. La funcionalidad de
esta herramienta está basada en nuestras propias
experiencias desarrollando simuladores para la
enseñanza del formalismo de las GAs como
Evaluators[21], Evaluators 2.0[19] y EvLib[18].
El resto del artículo se organiza de la siguiente
manera. La sección II proporciona una revisión del
estado del arte. La sección III introduce la
herramienta software EvDebugger describiendo
sus características y funcionalidad. En la sección
IV se describe la experiencia de valoración llevada
a cabo con estudiantes de un curso de
Construcción de Compiladores. Finalmente, la
sección V proporciona las conclusiones finales y
algunas líneas de trabajo futuro.
Este trabajo es una versión en español preparada
para TICAI del artículo [20].
II. ESTADO DEL ARTE
La herramienta software propuesta en este trabajo
está orientada a asistir a los estudiantes en las
primeras fases del aprendizaje sobre el formalismo
de las GAs, así como durante el desarrollo del
proyecto final pedido durante el curso de
Construcción de Compiladores. Los docentes de
esta asignatura usan diferentes estrategias a la hora
de proponer el compilador que los alumnos tienen
que desarrollar como proyecto final del curso:
Proyectos centrados en lenguajes de
programación convencional. Este enfoque
es el más comúnmente utilizado en la
mayoría de cursos de Construcción de
Compiladores. El lenguaje de
programación elegido suele ser un
lenguaje de programación reducido que
incluye, por ejemplo, un par de tipos de
datos básicos, operaciones sobre esos
tipos de datos, estructuras de control
(como bucles y condicionales), y un
mecanismo de abstracción (funciones o
procedimientos). Existen diferentes
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
58 DANIEL RODRÍGUEZ CEREZO, PEDRO RANGEL HENRIQUES, JOSÉ LUIS SIERRA
lenguajes prototípicos usados para dar
soporte a este enfoque como COOL[3] o
MINIML[4].
Pequeños proyectos de procesamiento de
lenguaje. En esta estrategia, los
estudiantes acometen la implementación
de pequeños compiladores (o incluso
partes concretas de un compilador) con el
objetivo de centrar su atención en los
conceptos recientemente estudiados en el
aula. En [11] y[23] se proporciona una
visión en profundidad de dicho enfoque.
Lenguajes Específicos de Dominio. Los
autores en [16] proponen una estrategia
basada en Lenguajes Específicos de
Dominio (DSL: Domain-Specific
Language) donde los estudiantes tienen
que desarrollar un procesador de lenguaje
para este tipo de lenguajes. En este caso,
los docentes proponen un dominio
específico atractivo para los estudiantes, y
plantean diferentes procesamientos para
que los estudiantes los desarrollen. De
esta forma, los estudiantes desarrollarán
incrementalmente un procesador de
lenguaje paso a paso. Otros ejemplos de
esta estrategia se encuentran en DSLs
para la representación de grafos[25],
dibujo de figuras simples[22] o
programación de acciones en robots[27].
Análisis y depuración de compiladores
para lenguajes de programación reales.
Esta estrategia está orientada a ilustrar
cómo funciona un compilador real, y es
explicada en profundidad en[26] , donde
los autores explican que el enfoque
tradicional de desarrollar un compilador
no es suficiente para enseñar todos los
conceptos necesarios para que los
estudiantes tenga una valoración realista
durante el transcurso de la asignatura.
No obstante, merece la pena apuntar cómo la
mayoría de estas estrategias están centradas en la
parte de desarrollo, poniendo en segundo plano la
fase de diseño de un compilador, o incluso dándola
por sentado. Debido a estas carencias en las
diferentes estrategias presentadas, EvDebugger
surge para proporcionar soporte a los estudiantes
en la fase de diseño de sus compiladores, lo que
potenciará una estrategia de implementación más
fiel al lenguaje seleccionado por el docente.
Para apoyar a los estudiantes para terminar el
proyecto final del curso, existen diferentes
herramientas software:
Compiladores de compiladores, como
JavaCC[8], CUP[10], ANTLR[15],
BISON[9], etc. Estas plataformas son
capaces de generar procesadores de
lenguaje directamente desde sus
especificaciones, descritas mediante
esquemas de traducción: una gramática
incontextual aumentada por acciones
semánticas.
Plataformas que proporcionan ayudas
visuales e interactivas al usuario. Estas
plataformas pueden usarse para tener un
mayor entendimiento del procesamiento
realizado por un compilador específico.
Por ejemplo, ANTLRWorks[6] es un
entorno para el lenguaje ANTLR que
proporciona un editor enriquecido con
herramientas para detectar diferentes
problemas de especificación introducidos
por el usuario. Además, el entorno es
capaz de mostrar diferentes
representaciones visuales de los
componentes del compilador o el árbol
sintáctico de una sentencia procesada, con
el fin de enriquecer el proceso de
depuración. De forma similar,
VCOCO[17] es una extensión del
generador de procesadores COCO que
produce procesadores capaces de
presentar simulaciones visuales de
diferentes partes del compilador
generado.
El principal problema de los generadores de
compiladores, desde un punto de vista educativo,
es que están orientados a las fases de desarrollo de
un compilador. Por lo tanto, los estudiantes
necesitan un diseño solido para obtener un
esquema de traducción adecuado para el
compilador que quieren desarrollar. El
enriquecimiento de estas herramientas con
capacidades visuales, a su vez, puede ser
considerado como un depurador especializado para
el proceso de evaluación asociado con el tipo de
patrón correspondiente a cada herramienta. Sin
embargo, no proporcionan utilidades para trabajar
directamente con el diseño.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
EvDEBUGGER: LAS GRAMÁTICAS DE ATRIBUTOS HECHAS FÁCILES 59
Por otro lado, existen herramientas para generar
procesadores de lenguaje directamente desde su
especificación basada en GA. Como ejemplos
representativos consideramos LISA y PAG:
LISA[12] es una plataforma que es capaz
de generar procesadores de lenguaje
directamente desde su especificación
como GA. El sistema proporciona,
además, representaciones visuales de cada
etapa de procesamiento del compilador,
con el fin de proporcionar un poderoso
depurador.
PAG (Prototyping with Attribute
Grammars)[24] es una herramienta para
generar procesadores de lenguaje capaces
de mostrar el árbol sintáctico decorado,
así como permitir su exploración. Con
ello, el usuario es capaz de interpretar el
proceso de evaluación semántica llevado
a cabo.
A pesar de que no hay duda en que este tipo de
herramientas puede ser útil para los alumnos a la
hora de refinar sus compiladores, las
representaciones visuales proporcionadas son
estáticas, y no están centradas en el proceso de
evaluación semántico propiamente dicho.
Finalmente, considerando que EvDebugger es un
depurador visual, varias herramientas de esta
índole se encuentran aplicadas a otros marcos
declarativos. Por ejemplo:
ViMer[7] es un depurador visual para
Mercury, un lenguaje de programación
lógica, que es capaz de mostrar el proceso
de evaluación usando un tipo especial de
árboles que representan adecuadamente el
carácter no determinista de este tipo de
lenguajes.
Por otro lado, JI.FI[5] es un depurador
visual para aplicaciones Java
específicamente diseñado para depurar
programas concurrentes. Entre sus
características destaca la capacidad de
depurar el comportamiento de programas
concurrentes en tiempo real, y un motor
de consultas capaz de interpretar
características temporales.
Finalmente, PM/IDE[13], un IDE para la
planificación de modelos de dominio,
incluye características para depurar y
probar planes automáticos dentro de los
modelos. La plataforma proporciona
diferentes depuradores visuales que
ayudan a los desarrolladores a entender la
ejecución de los planes y los cambios
inducidos en el entorno modelado.
Las diferentes herramientas de depuración visual
presentadas anteriormente hacen patente cómo su
principal característica es que mejoran el
entendimiento de la implementación, o el proceso
de evaluación, de sus respectivos lenguajes
mediante el uso de visualizaciones y animaciones
que permiten al desarrollador entender de un solo
vistazo sus propios programas.
III. EVDEBUGGER
EvDebugger es una herramienta software para la
depuración de procesadores de lenguaje basada en
su especificación. La herramienta es capaz de
procesar especificaciones en forma de GA,
descritas mediante un lenguaje de especificación
propio, y generar el procesador de lenguaje para el
lenguaje descrito. Además, la herramienta
proporciona un depurador visual para depurar los
procesadores de lenguaje definidos.
Las siguientes subsecciones describen los
principales componentes de EvDebugger: el gestor
de gramáticas, el editor de gramáticas y el
depurador.
A. Gestor de Gramáticas
El gestor de gramáticas es la vista inicial ofrecida
por la herramienta. Como puede observarse en la
Fig1, ofrece una interfaz dividida en 3 áreas. De
izquierda a derecha:
Fig1 Captura del gestor de gramáticas de EvDebugger.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
60 DANIEL RODRÍGUEZ CEREZO, PEDRO RANGEL HENRIQUES, JOSÉ LUIS SIERRA
La primera área muestra los diferentes
procesadores de lenguaje registrados en el
sistema.
La segunda muestra una descripción
informal de dichos procesadores
(proporcionada por el desarrollador) que
se mostrará al seleccionar uno de los
procesadores.
La tercera área proporciona acceso a las
distintas funcionalidades de la
herramienta, como crear un nuevo
lenguaje, editarlo, borrarlo y compilarlo,
y acceder al depurador visual mediante el
botón Simulate.
B. Editor de Gramáticas
El editor de gramáticas es accesible desde el gestor
de gramáticas tras seleccionar la creación de un
nuevo procesador de lenguaje o abrir uno
previamente creado. LaFig2 muestra una captura
de este editor. La vista ofrece diferentes áreas
donde especificar diferentes partes del procesador
de lenguaje: la especificación mediante una GA
(Fig2a), la descripción informal del procesador
(Fig2b), y la clase semántica (Fig2c):
La especificación como GA del
procesador de lenguaje debe ser escrita en
un lenguaje de especificación que hemos
creado para dicho propósito. Este
lenguaje es muy cercano a la notación
utilizada habitualmente en las lecciones y
libros de un curso de Construcción de
Compiladores. De esta forma, los
estudiantes pueden llevar a cabo la
especificación de un procesador de
lenguaje de una forma natural. La
especificación se divide en tres secciones
diferentes: declaración de símbolos no
terminales, declaración de símbolos
terminales, y la especificación de las
reglas gramaticales.
La descripción informal de los
procesadores es una descripción del
procesador de lenguaje en lenguaje
natural para ayudar al usuario a
identificarlo en el gestor de gramáticas.
La clase semántica es el nombre de una
clase Java que debe implementar las
funciones semánticas utilizadas en la
especificación de la GA.
Con estos tres componentes, la herramienta es
capaz de generar automáticamente el procesador
de lenguaje a partir de su especificación, que será
usado por el depurador.
C. Depurador Visual
Para acceder al depurador visual, es necesario
compilar satisfactoriamente una gramática para
obtener un compilador funcional. Tras seleccionar
un procesador de lenguaje, el desarrollador puede
utilizar el depurador pulsando el botón Simulate,
disponible en la interfaz del gestor de gramáticas.
Entonces, el depurador solicita una sentencia del
lenguaje para procesarla. Si la sentencia es
aceptada por el procesador, el depurador se
configura para el lenguaje seleccionado y la
sentencia proporcionada. La Fig 3 muestra el
depurador visual completamente configurado.
El depurador muestra: (i) el árbol sintáctico (Fig
3a), (ii) la vista de los atributos del nodo (Fig 3b),
(iii) la gramática de atributo (Fig 3c), (iv) una tabla
donde se muestran los valores semánticos de los
atributos calculados (Fig 3d), y (v) la caja de
herramientas del depurador (Fig 3e). La
funcionalidad de los botones de la caja de
herramienta es (de izquierda a derecha): paso atrás
en la depuración, empezar y parar la depuración,
paso adelante en la depuración, activar la
exploración de nodos, y modificación de la vista
del árbol sintáctico:
Los tres primeros botones están
orientados a controlar el flujo del proceso
de depuración.
La exploración de nodos permite al
usuario seleccionar cualquier nodo del
árbol sintáctico. Al seleccionarlo, la
(a)
(b)
(c)
Fig2 Captura del editor de gramáticas de EvDebugger
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EvDEBUGGER: LAS GRAMÁTICAS DE ATRIBUTOS HECHAS FÁCILES 61
herramienta dibuja las instancias de
atributo asociadas a dicho nodo en la vista
de atributos, debajo del árbol sintáctico.
Estos atributos pueden ser seleccionados
para comprobar su valor semántico,
cuando esté disponible.
Finalmente, el botón para modificar la
vista del árbol sintáctico activa la
exploración visual del árbol. En este
modo, los usuarios pueden realizar zoom,
para centrar la vista en determinadas
partes del árbol sintáctico.
El depurador visual es capaz de mostrar el proceso
de evaluación llevado a cabo por la GA
especificada y la sentencia proporcionada. El
depurador contempla dos tipos diferentes de
acciones de evaluación:
Movimientos en el árbol sintáctico. Los
movimientos por los nodos del árbol se
muestran al usuario mediante la
animación de un puntero que indica qué
nodo está siendo actualmente visitado en
el proceso de evaluación. Cuando el
proceso de evaluación requiere ir a otro
nodo, el depurador anima la transición del
puntero al nodo objetivo.
La asignación de valor semántico a
instancias de atributos.
Por su parte, la asignación de valor semántico
provoca la siguiente secuencia de animaciones:
En la vista del árbol sintáctico, los nodos
de instancias de atributo involucradas son
coloreados con diferentes colores, y
aparecen flechas verdes para indicar el
flujo de datos asociado con la asignación
del nuevo valor semántico en el árbol
sintáctico.
En la vista donde se dibujan las instancias
de atributo aparecen las instancias de
atributo implicadas en la asignación,
representadas como cajas de diferentes
colores correspondientes al color de sus
respectivos nodos en el árbol sintáctico.
Además, en la especificación de la
gramática, se resaltan la regla sintáctica y
la ecuación semántica implicadas.
Entonces, en esa misma vista, las
diferentes cajas convergen hacia la caja
que representa la instancia de atributo
para la que se calcula el valor.
Finalmente, cuando todas las cajas
terminan su animación, el depurador
registra una nueva entrada en la tabla con
un nuevo valor semántico. La nueva
entrada registrará el nombre del atributo,
la ecuación semántica, y el valor
semántico computado.
Las tres funcionalidades principales descritas
anteriormente componen EvDebugger,
convirtiéndola en una plataforma para la
depuración de procesadores de lenguaje a partir de
su especificación mediante GA. Su depurador
visual es capaz de mostrar de una forma atractiva
Fig 3 Captura del depurador visual.
(a)
(b) (c)
(d)
(e)
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
62 DANIEL RODRÍGUEZ CEREZO, PEDRO RANGEL HENRIQUES, JOSÉ LUIS SIERRA
el proceso de evaluación semántica para cualquier
sentencia del procesador de lenguaje a simular.
Así, el desarrollador es capaz de validar sus
diseños e identificar posibles errores de una forma
fácil e intuitiva.
IV. ESTUDIO DE VALORACIÓN
Durante el curso 2013-2014, se realizó una
experiencia con estudiantes de la asignatura de
Construcción de Compiladores de la Universidade
do Minho(Braga, Portugal) que involucró el uso de
EvDebugger. En la experiencia participaron 10
estudiantes que utilizaron dicha herramienta. La
experiencia se dividió en las siguientes fases:
TABLA I
RESULTADOS OBTENIDOS DEL CUESTIONARIO DE OPINIÓN.
Cuestiones % de
acuerdo
Editor de Gramáticas
El editor me ha resultado facil de utilizar
90
Las ayudas visuales proporcionadas por el editor, como resaltar la palabras reservadas, me han resultado útiles
90
Creo que la implementación de las funciones semánticas en la clase Java es apropiada
90
Los mensajes de error proporcionados por el compilador es adecuado
30
Depurador Visual
El depurador visual me ha ayudado a mejorar el diseño de mis gramáticas
100
Las animaciones presentadas por el depurador me han ayudado a entender el flujo de datos de mi diseño
90
Durante la animación, resaltar la regla sintáctica y de cálculo involucrada en cada paso de depuración me ayudo a entender mi diseño
90
Las flechas decorando el árbol sintáctico durante las animaciones me han ayudado a entender la diferencia entre atributos sintetizados y heredados
80
La tabla donde se apilan los atributos semánticos calculados me han ayudado a visualizar el progreso de cálculo
90
Presentación de la herramienta. Las
funcionalidades de la herramienta se
presentaron mediante un tutorial en vivo.
Uso de EvDebugger. En este punto,
presentamos a los estudiantes diferentes
problemas de procesamiento de lenguaje.
Estos problemas fueron diseñados para
explotar toda la potencia semántica de las
GA. Las tareas de procesamiento
planteadas proponían a los estudiantes
diseñar GA con diferentes grados de
herencia.
Recabar la opinión de los estudiantes
mediante cuestionarios. Para ello,
diseñamos un cuestionario corto de nueve
preguntas cuya respuesta estaba basada en
una escala Likert de cuatro puntos
(Desacuerdo, parcialmente en desacuerdo,
parcialmente de acuerdo, De acuerdo).
Las preguntas están registradas en la
primera columna de la TABLA I. La
segunda columna muestra el porcentaje
de alumnos que estaban de acuerdo o
parcialmente de acuerdo con cada
afirmación del cuestionario. Además,
recogimos la opinión personal de los
estudiantes sobre EvDebugger.
Los resultados presentados en la TABLA I
muestran que la herramienta ha cosechado éxito
entre el grupo de alumnos encuestados. Las
valoraciones obtenidas ponen de manifiesto que las
funcionalidades proporcionadas por el editor y el
depurador han resultado útiles para los alumnos,
considerando ambos adecuados para la creación y
refinamiento de sus diseños. Además, hemos
analizado los diferentes puntos de vista
proporcionados en la opinión personal, donde
hemos podido observar diferentes problemas que
los estudiantes han detectado en la herramienta.
Entre ellos, se sugiere que es necesario dar la
posibilidad de acelerar el proceso de depuración
para acceder a determinados puntos sin realizar
todo el proceso de cálculo.
V. CONCLUSIONES
A lo largo de este artículo se ha presentado
EvDebugger, una herramienta software para la
especificación y depuración de procesadores de
lenguaje. El entorno proporciona un editor para el
diseño de procesadores de lenguaje basados en el
formalismo de las GA. Además, la plataforma
consta de un poderoso depurador visual para
mostrar el proceso de evaluación derivado del
diseño. La potencia educativa de este software
reside principalmente en su depurador visual y sus
animaciones que representan adecuadamente el
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EvDEBUGGER: LAS GRAMÁTICAS DE ATRIBUTOS HECHAS FÁCILES 63
proceso de evaluación semántico resaltando las
dependencias entre atributos. Esto permite a los
estudiantes entender en profundidad cómo utilizar
el formalismo para sus propios diseños, y el
funcionamiento de los mismos. De este modo,
ellos son capaces de refinar el diseño de sus
procesadores de lenguaje y validarlo antes de
realizar la implementación final. Los resultados de
valoración incluidos en el artículo ponen de
manifiesto que la utilidad percibida por los
alumnos es alta, considerando a EvDebugger
como una herramienta complementaria al curso de
Construcción de Compiladores, gracias a su
utilidad para entender las GA y su aplicación al
diseño de procesadores de lenguaje.
Finalmente, como líneas de trabajo futuro
mencionar, en primer lugar, la necesidad de
mejorar las carencias detectadas por los estudiantes
en el estudio de valoración: mejorar el sistema de
detección de errores, y proporcionar un mejor
acceso a determinados puntos del proceso de
evaluación. Después, nos gustaría organizar otra
experiencia con estudiantes para medir la eficacia
educativa de la herramienta, y su impacto en el
diseño y desarrollo del proyecto final del curso.
REFERENCIAS
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64 DANIEL RODRÍGUEZ CEREZO, PEDRO RANGEL HENRIQUES, JOSÉ LUIS SIERRA
conference on Innovation and technology in computer science education (ITiCSE '08) 128-132.
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AGRADECIMIENTOS
Esta investigación ha sido financiada parcialmente
por el proyecto del Plan Nacional de I+D+i
español (TIN2010-21288-C02-01), por el
Programa de Formación del Profesorado
Universitario de España (EDU/3445/2011) y por la
FCT (Fundação para a Ciência e a Tecnologia)
portuguesa (proyecto PEst-OE/EEI/UI0752/2014).
Daniel Rodríguez Cerezo obtuvo su título de Ingeniería en Informática (2011)
y el Máster de Investigación en
Informática (2012) en la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente está
finalizando el desarrollo de un Doctorado
en Informática en la Universidad Complutense de Madrid.
De 2011 al 2012 colaboró como becario
predoctoral en el Departamento de Ingeniería del Software e Inteligencia
Artificial de la Facultad de Informática de la Universidad
Complutense de Madrid. Desde 2012 es becario predoctoral en dicho Departamento. Su investigación se centra en el uso de
diferentes técnicas eLearning (simuladores interactivos y
videojuegos serios, herramientas de prototipado y sistemas recomendadores de objetos de aprendizaje) aplicados a la
enseñanza de la Informática, y, más concretamente, de la
Ingeniería de Lenguajes Software.
Pedro Rangel Henriques obtuvo el
título de Ingeniería en Electrotécnica /
Electrónica en la FEUP (Facultad de
Ingeniería de la Universidad de Oporto),
y finalizó su Doctorado en la Universidad
de Minho con la finalización de su tesis
en Lenguajes Formales y Gramáticas de
Atributo. En 1981 se unió al
Departamento de Informática de la
Universidad de Minho como profesor titular. Desde 1995 es
coordinador del grupo de Procesamiento de Lenguaje en el
CCTC (Centro de Informática y Tecnología). Actualmente, se
dedica a la docencia de diferentes cursos en el área de la
programación. Ha supervisado diversas tesis de Máster (29) y
Doctorado (11), y más de 50 proyectos fin de carrera en las
áreas de procesamiento de lenguaje y procesamiento de
documentos estructurados, análisis de código, visualización y
comprensión de programas, minería de datos, etc. Es en estos
temas donde se centra su actividad investigadora. Es coautor
del libro "XML & XSL: da teoria a prática" publicado en 2002,
ha publicado 6 capítulos en diferentes libros, 26 artículos de
revista, y ha colaborado en 28 proyectos de I+D.
José Luis Sierra Rodríguez obtuvo el título de Ingeniería en Informática en la
Universidad Politécnica de Madrid, y
finalizó su Doctorado en la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es
profesor titular en el Departamento de
Ingeniería del Software e Inteligencia Artificial de la Facultad de Informática
en la Universidad Complutense donde
dirige el grupo de investigación ILSA (Ingeniería de Lenguajes Software y Aplicaciones).Su
investigación se centra en el desarrollo y uso práctico de las
herramientas de descripción de lenguajes informáticos, y en el
desarrollo orientado a lenguajes de aplicaciones interactivas en
el campo de las humanidades digitales y del eLearning. Ha
dirigido, y participado en, diversos proyectos de investigación en los campos de las humanidades digitales, el eLearning y la
Ingeniería de Lenguajes; cuyos resultados han sido publicados
en más de 100 artículos en revistas y congresos internacionales. Ha sido miembro del comité gestor de la acción COST
INTEREDITION de la EU, y es miembro del comité para la
estandarización en Tecnologías de la Educación para el Aprendizaje AEN/CTN 36 de AENOR.
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EvDEBUGGER: LAS GRAMÁTICAS DE ATRIBUTOS HECHAS FÁCILES 65
Capítulo 7
Diseño y Programación de un Sistema Háptico
Educacional basado en Arduino
Jorge Juan Gil, Iñaki Díaz, Xabier Justo, Pablo Ciáurriz y Ana López
Departamento de Mecánica Aplicada
CEIT y TECNUN, Universidad de Navarra
San Sebastián, España
Title– Designing and Programming an
Educational Haptic System based on Arduino
Abstract– The laboratory of Systems
Technology and Automatic Control of
TECNUN has developed an electronic
controller based on the Arduino platform to
allow students implementing haptic algorithms
in multiple mechatronic devices. This work
describes the design and the development
process of the controller. A PHANToM
Premium 1.0 haptic device has been used to
validate the interface. The control algorithms
and haptic interaction methods designed to
properly manage the platform are described in
depth. Several experiments carried out to test
the interface are also presented. The proposed
system is an excellent test-bed for students to
put into practice their skills and learn multiple
concepts in the domains of electronics, control
and programming.
Keywords– electronic control systems, robotics,
arduino, haptic controller.
Resumen– En el laboratorio de Tecnología de
Sistemas y Automática de TECNUN se ha
desarrollado un controlador electrónico basado
en la plataforma Arduino que permite a los
alumnos implementar algoritmos hápticos en
distintos dispositivos mecatrónicos. Este trabajo
describe en detalle los algoritmos de control así
como los métodos de contacto hápticos
desarrollados para controlar la plataforma.
También se han realizado varios experimentos
para validar la interfaz. Para dicha validación
se ha empleado el interfaz háptico PHANToM
Premium 1.0. El sistema propuesto es una
plataforma ideal para los alumnos a la hora de
poner en práctica sus conocimientos, al mismo
tiempo que aprenden conceptos de electrónica,
control y programación.
Palabras clave– control de sistemas electrónicos,
robótica, Arduino, controlador háptico.
I. INTRODUCCIÓN
La tecnología háptica ha hecho posible desarrollar
dispositivos mecatrónicos que permiten al usuario
interactuar con entornos virtuales o remotos de
forma táctil [1]. A través del dispositivo háptico el
usuario obtiene información táctil del entorno.
Gracias a estos dispositivos se han implementado
múltiples aplicaciones para mejorar el estado de la
técnica en diferentes campos. Por ejemplo, se han
desarrollado simuladores hápticos para cirugía
donde los cirujanos pueden ser entrenados antes de
la operación[2]. La tecnología háptica crea un
entorno más realista donde el cirujano siente las
fuerzas de contacto que sentiría durante la
operación. También permite desarrollar nuevas
herramientas robóticas avanzadas para la
telecirugía[3] y la teleoperación[4]. El sector del
transporte también se ha visto beneficiado por esta
tecnología, desarrollándose sistemas drive-by-wire
que mejoran la maniobrabilidad de los vehículos
[5]. En todos los casos, los interfaces hápticos son
utilizados para mejorar la destreza del usuario en el
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67
manejo de robots y dispositivos mecatrónicos por
medio de la restitución de fuerzas (Fig. 1).
Fig. 1. Sistema háptico desarrollado en TECNUN para realizar
tareas de mantenimiento aeronáutico
La háptica es una disciplina multidisciplinar que
abarca conocimientos de mecánica, ingeniería de
control, electrónica, gráficos por computador,
procesamiento de señales, etc. El desarrollo de
interfaces hápticos permite a los alumnos poner en
práctica los conocimientos teóricos adquiridos en
los campos mencionados. Por otro lado, la
tecnología háptica es novedosa y motivadora para
los alumnos.
Hasta ahora, uno de los principales inconvenientes
para usar sistemas hápticos era su elevado precio.
Sin embargo, existen dispositivos comerciales,
como el Novint Falcon, que tienen un precio
inferior a 250 €. Es más, prototipos sencillos de un
grado de libertad pueden ser fácilmente
desarrollados en laboratorio, usando motores
eléctricos baratos y sensores de posición [6]. Aun
así, la electrónica puede ser un factor limitante en
cuanto a precio.
Un requisito importante de los sistemas hápticos es
que los algoritmos de control deben ejecutarse a
una frecuencia igual o superior a 1 kHz. Este
umbral es conveniente para conseguir una buena
sensación táctil y también para garantizar la
estabilidad del sistema [7], [8]. Conviene recordar
que un dispositivo háptico es un sistema
mecatrónico concebido para interactuar
físicamente con el usuario, por lo que la seguridad
siempre debe ser analizada.
Afortunadamente, en los últimos años han
emergido en el mercado varias tarjetas electrónicas
de bajo coste, como la Arduino1 y la RaspberryPi
2.
1www.arduino.cc 2www.raspberrypi.org
Estos sistemas, aunque aún limitados en su
capacidad de procesamiento (comparados con
tarjetas más sofisticadas de National Instruments,
por ejemplo),permiten añadir controladores
hápticos baratos. Además permiten implementar de
forma sencilla nuevos módulos y sistemas
adicionales. Otro hándicap para estos sistemas es
el precio de los amplificadores usados para
alimentar los motores.
Este trabajo describe el controlador háptico
educacional que hemos construido basado en la
plataforma Arduino, con el propósito de servir de
banco de ensayos para ingenieros mecánicos,
electrónicos y de control. También describe las
soluciones adoptadas para usar amplificadores de
bajo coste, controlando los motores en modo
tensión e incluyendo un modelo térmico para
mejorar las prestaciones [9]. Finalmente, se
presenta un ejemplo de aplicación háptica
desarrollado con la plataforma descrita en este
trabajo. Con todo ello, el sistema háptico
desarrollado permitirá a los alumnos poner en
práctica sus conocimientos con un coste razonable.
El presente artículo está organizado de la siguiente
manera: la Sección II describe todos los
componentes del sistema, sus especificaciones y
características. Después, en la Sección III, se
explica el algoritmo háptico usado para el cálculo
de fuerzas. La Sección IV presenta el modelo
térmico desarrollado para el correcto control del
sistema en modo tensión, así como los
experimentos realizados para validar el algoritmo
propuesto y el modelo térmico. Posteriormente,
sobre la base de los algoritmos de control
desarrollados en este trabajo, la Sección V describe
un ejemplo de aplicación háptica desarrollado por
una alumna. Finalmente, la Sección VI resume las
conclusiones y el trabajo futuro.
II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema mecatrónico propuesto (Fig. 2) está
compuesto por cinco elementos: un interfaz
mecánico comercial, fuente de alimentación,
Arduino (como controlador del sistema), carcasa y
conectores. Estos se describen a continuación.
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68 JORGE JUAN GIL, IÑAKI DÍAZ, XABIER JUSTO, PABLO CIÁURRIZ Y ANA LÓPEZ
Fig. 2. Sistema háptico desarrollado para aplicaciones
educacionales
II-A. Interfaz háptico
El PHANToM Premium 1.0 de SensAble
Technologies, Inc.(ahora Geomagic, Inc.) es un
interfaz háptico que cumple los requisitos de
muchas aplicaciones comerciales y de
investigación. Se emplea en sistemas de control de
fabricación, visualización de componentes
mecánicos, simulaciones médicas, y otras muchas
aplicaciones hápticas. Este dispositivo tiene un
rango de movimiento suficiente para el
movimiento de una mano pivotando sobre su
muñeca. Está provisto de tres grados de libertad
sensorizados y actuados.
El mecanismo del interfaz tiene una base giratoria
sobre laque se sitúa un pantógrafo. Un motor
eléctrico mueve dicha base, mientras otros dos
mueven el pantógrafo. La aplicación educacional
final prevé implementar efectos hápticos en un
espacio bidimensional, por tanto sólo hay que
sensorizar y actuar dos grados de libertad. En
consecuencia, la base del interfaz será bloqueada
mecánicamente y se dejarán libres los dos grados
de libertad del pantógrafo.
TABLA I
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MAXON RE-25-055-35
Parámetro Símbolo Valor
Potencia 20 W
Tensión nominal 24 V
Corriente máx. en continuo 1.22 A
Constante de par 23.5 mN·m/A
Constante de velocidad 407 rpm/V
Resistencia del bobinado R 2.34 Ω
Inductancia del bobinado L 0.24 mH
Varios componentes del sistema han sido elegidos
de acuerdo a las especificaciones de los sensores y
de los actuadores del interfaz háptico. El
PHAMToM tiene tres motores DC de escobillas,
Maxon RE-25-055-35, y tres encoders
incrementales rotativos, Hewlett-Packard (ahora
Agilent) HEDM-5500-B.Las especificaciones de
los motores están listados en la Tabla I.
II-B. Fuente de alimentación
La serie TracoPower TOP 60 Series son fuentes de
alimentación AC/DC abiertas con salida única,
doble o triple y potencia de salida continua de
hasta 60 W. Están embebidos en una base de 50 ×
100 mm, por lo que su tamaño es parecido a la de
una Arduino. La fuente de alimentación cuenta con
un disipador de calor por convección, permitiendo
operar con temperaturas de hasta 70ºC.
Se ha elegido el modelo TOP 60112 (Fig. 3), que
ofrece12 VDC y hasta 5 A. Esta salida es
suficiente para alimentar dos motores de 1.22 A de
corriente máxima en continuo.
Fig. 3. Fuente de alimentación TracoPower TOP 60112 (©
TracoElectronic AG)
II-C. Arduino (controlador)
Arduino es una plataforma abierta de prototipado
electrónico que posee un software flexible y fácil
de usar. La tarjeta puede obtener información del
entorno mediante una variedad de sensores e
interactuar controlando luces, motores y otro tipo
de actuadores. El lenguaje de programación del
Arduino está basado en C/C++, y los programas
pueden ejecutarse de forma autónoma o
comunicarse con un ordenador.
De todos los modelos disponibles, el Arduino
Mega 2560 es el adecuado para nuestra aplicación
(Fig. 4). Esta placa tiene un microcontrolador
ATmega2560, 54 entradas/salidas digitales (de las
cuales 15 pueden usarse como salidas PWM), 16
entradas analógicas, conexión USB, y una
conexión jack. Cada uno de los 54 pines digitales
opera a 5 V y puede administrar o recibir hasta
40 mA (tienen una resistencia pull-up interna de
20-50 kΩ). Además, algunos pines tienen
funciones especiales:
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DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DE UN SISTEMA HÁPTICO EDUCACIONAL BASADO EN ... 69
Serial: Usado para recibir (RX) y transmitir
(TX) datos serie TTL.
Interrupciones Externas: Estos pines pueden
configurarse para disparar una interrupción
en valores bajos, emergentes o caídas, o
cambios de valor.
PWM: Provee una salida PWM de 8-bits.
SPI: Estos pines soportan comunicación SPI.
TWI: Estos pines soportan comunicación
TWI.
Las señales de los encoders se pueden conectar a
entradas digitales concretas de la placa Arduino
Mega. En particular, seis pines (2, 3, 18, 19, 20 y
21) pueden configurarse como interrupciones
externas, y por ello pueden usarse para decodificar
la cuadratura de la salida (A y B) del encoder. Para
poder contar el tren de pulsos se ha implementado
una librería pública (ver apartado VI). Nótese que,
aunque tan sólo se han usado dos sensores de
posición, sería posible medir los tres encoders del
PHANToM con esta tarjeta.
Fig. 4. Placa Arduino Mega (© Arduino)
El Arduino Mega se puede alimentar a través de la
conexión USB o con una fuente de alimentación
externa. En este caso, el Arduino se alimenta
mediante el pin VIN y GND, aprovechando la
ventaja que ofrece la placa de expansión usada
para la alimentación de los motores. La placa
puede funcionar en un rango de 6 a 20 V, pero el
rango recomendado es de 7 a 12 V.
La longitud y el ancho máximo de la PCB del
Arduino Mega es de 100 y 55 mm
respectivamente. Tres agujeros permiten asegurar
la placa a nuestra carcasa.
II-D. Amplificador (placa de expansión para
motores)
El Arduino Mega está diseñado para ser
compatible con muchas placas de expansión. Los
pines digitales de 0 a 13 (y los pines adyacentes
AREF y GND), entradas analógicas de 0 a 5, el
puerto de alimentación, y el puerto ICSP están
situados de una forma estándar.
La placa de expansión para Arduino Pololu dual
VNH5019 y su correspondiente librería facilitan el
control de dos motores DC bidireccionales de
potencia elevada (Fig. 5). Dicha placa posee dos
controladores de motor VNH5019 de ST, los
cuales pueden operar de 5.5 a 24 V, y pueden
administrar de forma continua 12 A (30 A de pico)
por canal, incorporando la mayoría de
componentes necesarios para estas aplicaciones,
incluyendo pull-up, resistencias de protección y
FETs para la protección de polaridad inversa.
Fig. 5. Placa de expansión Pololu Dual VNH5019 (© Pololu
Corporation)
Siguiendo las instrucciones del fabricante, se ha
modificado el cableado de fábrica del Arduino
Mega para conseguir una conmutación ultrasónica
del PWM.
II-E. Carcasa
La carcasa del sistema ha sido diseñada para
facilitar el transporte y la refrigeración de los
componentes internos. Además, se ha considerado
la conectividad, de modo que la toma de corriente,
el interruptor de encendido/apagado y el LED de
estado se han situado en una cara, mientras que las
conexiones de los motores y encoders se hallan en
la cara opuesta (Fig. 6).
Fig. 6. Renderizado de la carcasa diseñada
Una tapa extraíble en la parte superior de la
carcasa permite examinar el interior en caso de
fallo. Incluye también un orificio para poder
acceder al botón reset del Arduino.
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70 JORGE JUAN GIL, IÑAKI DÍAZ, XABIER JUSTO, PABLO CIÁURRIZ Y ANA LÓPEZ
II-F. Conectores
Para una conectividad estándar, se ha provisto el
sistema de tres tipos de conectores comunes:
Alimentación: Se ha instalado un conector de
ordenador IEC-C14. Antes de conectar la
fuente de alimentación, se han instalado un
botón on/off y un LED de estado.
Motores: Se ha usado el conocido conector
XLR-3 para la alimentación de los motores.
Encoders: Se han instalado conectores DB-9.
III. ALGORITMO DE CONTROL
HÁPTICO
Un sistema háptico (Fig. 1) mapea los
movimientos del usuario en un entorno virtual y, si
el usuario colisiona con un objeto virtual, también
es capaz de devolver una fuerza [10]. La fuerza
ejercida debería ser suficiente para que el usuario
no penetre en el objeto virtual. Este lazo de control
resultante es llamado control en impedancia [11].
Las fuerzas de contacto se calculan como función
de la penetración, normalmente como un sistema
masa-muelle.
El algoritmo de impedancia se debe ejecutar a una
frecuencia en torno a 1 kHz para asegurar una
correcta percepción táctil y para garantizar la
estabilidad del sistema. Existen varios parámetros
que pueden influir en la estabilidad del sistema
[12], [13].
Los actuadores situados en los ejes del interfaz son
los que producen las fuerzas y pares que se
devuelven al usuario. Estas fuerzas pueden ser
calculadas usando la matriz Jacobiana del interfaz
mecánico. Debido a que los motores DC ejercen
un par dependiente de la corriente suministrada,
los amplificadores suelen estar configurados en
modo corriente. Estos dispositivos suelen ser caros
porque miden la corriente y cierran un lazo interno
de control muy rápido (más rápido que el
algoritmo hatico).
Una alternativa económica es configurar los
amplificadores en modo tensión. La mayor
desventaja de esta solución es que el par resultante
en el actuador depende de la dinámica eléctrica del
mismo. Por ejemplo, la corriente consumida por el
motor descenderá al aumentar la resistencia
eléctrica con la temperatura del bobinado. Otro
efecto adverso es el aumento de viscosidad por la
fuerza contraelectromotriz [14]. El esquema
eléctrico de la Fig. 7 y sus correspondientes
ecuaciones explican estos fenómenos.
Fig. 7. Esquema electromecánico del actuador con la etapa
reductora
La entrada es la tensión comandada por el
amplificador , R es la resistencia eléctrica del
motor, es la corriente y la fuerza
electromotriz. El par motor es proporcional
a la corriente, mientras que la fuerza electromotriz
es proporcional a la velocidad de giro del motor
. A la salida de la transmisión, la posición
final es igual a dividido por la reducción
N. En cambio, el par transmitido es el par
motor multiplicado por la reducción. La inercia y
viscosidad mecánicas son J y B respectivamente:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
El efecto de la inductancia del motor se desprecia
porque la constante de tiempo eléctrica es muy
pequeña comparada con la mecánica. Usando (1)-
(6), la salida del sistema, , se puede expresar
en el dominio de Laplace como:
(7)
El sistema se comporta como una inercia con
amortiguamiento viscoso. La viscosidad tiene dos
componentes: una mecánica, B, y otra eléctrica,
. La tensión de entrada es
equivalente al par de entrada en el eje
de la polea conducida, que trasladado al eje motor:
(8)
Este par se puede usar para calcular la fuerza de
salida del sistema, que variará ligeramente en el
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DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DE UN SISTEMA HÁPTICO EDUCACIONAL BASADO EN ... 71
tiempo, ya que la resistencia eléctrica R cambia
con la temperatura del bobinado. Sin embargo, este
efecto de deriva se puede compensar usando un
modelo térmico del actuador.
IV. MODELO TÉRMICO
Como se ha mencionado en la sección anterior, los
motores del PHANToM están controlados en
modo tensión. Esto significa que la influencia de la
temperatura del bobinado de cada motor ha de ser
tenida en cuenta para poder obtener un par estable
en la salida hacia los motores. El valor de la
resistencia cambia con la temperatura del bobinado
de acuerdo con la ecuación:
(9)
donde es un coeficiente dependiente del
material, es la temperatura ambiente y el
valor de la resistencia medida a esa temperatura.
La tensión aplicada al motor genera una corriente
que depende de la resistencia eléctrica del motor.
Esta corriente genera un calentamiento del
bobinado siguiendo la ley de Joule. Debido a (9),
la resistencia del motor incrementará. Esto hará
que disminuya la corriente que lo atraviesa, dando
como resultando un par de salida menor al
calculado por el algoritmo de control.
Ser capaz de estimar correctamente la temperatura
del bobinado en cada momento permitiría un mejor
control en modo tensión. Para ello se ha creado un
modelo térmico sencillo del motor. Este modelo
estima la temperatura del bobinado en cada
periodo de muestreo y modifica la señal de tensión
enviada al motor para compensar este problema.
IV-A. Definición del modelo
Se ha creado un modelo unidimensional
simplificado de tres masas para lograr un
compromiso entre precisión y rapidez de cálculo.
El modelo propuesto se observa en la Fig. 8, donde
corresponde a la temperatura del bobinado,
es la temperatura de la carcasa metálica del
motor, es la temperatura ambiente y y las
resistencias térmicas de conducción entre el
bobinado, la carcasa y el ambiente. Por último,
y son las masas estimadas del bobinado y la
carcasa respectivamente, mientras que y son
los calores específicos de ambos elementos.
Fig. 8. Modelo térmico
El calor generado en el bobinado por efecto Joule,
pasa a través de la carcasa y se disipa en el
ambiente.
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
Usando (9)-(14) se pueden estimar las
temperaturas en el bobinado y la carcasa. Sin
embargo, algunos de estos parámetros ( , ,
y ) deben ser ajustados para obtener un modelo
preciso del proceso térmico.
IV-B. Ajuste del modelo
Se han realizado varios experimentos para estimar
los valores de los parámetros desconocidos del
modelo. En estos experimentos se ha aplicado una
tensión constante a uno de los motores, mientras se
mantenía al PHANToM bloqueado
mecánicamente. Durante el experimento se ha
registrado la temperatura de la carcasa con un
termopar y un data logger de Testo AG, con un
periodo de muestreo de 3 segundos. La corriente
del motor no se ha medido, pero se conoce una
estimación de dicha corriente, ya que la etapa de
potencia proporciona una señal de tensión
proporcional a la corriente.
La tensión de entrada se fijó en 4.28 V, lo que
produce un par de 43 mN·m (8) y una corriente de
1.83 A, esto es, 1.5 veces la corriente máxima en
continuo del motor. Sin embargo, la corriente
inicial dada por la etapa fue 1.77 A, en vez
de1.83 A. Aunque esto pudo deberse a la baja
precisión del sensor, consideramos que el valor de
la resistencia fue 2.42 Ω al comienzo del
experimento, en vez del valor nominal dado por el
fabricante (ver Tabla I). Al final del experimento
la corriente observada fue 1.46 A. La temperatura
de la carcasa comenzó en 26ºC y alcanzó un valor
constante máximo de 60ºC después de media hora
(línea negra en la Fig. 9).
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
72 JORGE JUAN GIL, IÑAKI DÍAZ, XABIER JUSTO, PABLO CIÁURRIZ Y ANA LÓPEZ
Fig. 9. Temperatura experimental y teórica
Usando la temperatura de la carcasa del motor se
ha realizado un proceso de ajuste en Matlab® para
afinar los mencionados parámetros ( , , y
) y asemejar el modelo teórico a los datos
experimentales. Estos datos experimentales y las
temperaturas en el bobinado y la carcasa dadas por
el modelo se muestran en la Fig. 9. El modelo se
ajusta correctamente a la curva experimental. Los
valores de los parámetros se presentan en la
Tabla II.
TABLA II
PARÁMETROS DEL MODELO TÉRMICO
Parámetro Símbolo Valor
Resist. térmica bobinado-carcasa 3.1 K/W
Resist. térmica carcasa-ambiente 4.9 K/W
Masa del bobinado 20 g
Masa de la carcasa 220 g
Calor específico del bobinado 380 J/kg·K
Calor específico de la carcasa 450 J/kg·K
Coeficiente térmico de resistividad 0.0039 K-1
IV-C. Discusión
Las Figuras 10 y 11 muestran las estimaciones del
modelo para la resistencia eléctrica y la corriente
del motor. El valor final estimado para la corriente
es 1.46 A. El mismo valor fue registrado por el
sensor de corriente de la etapa de potencia. Con
estos resultados se espera que la fuerza efectiva
percibida por el usuario durante la exploración
háptica disminuya con el tiempo, mientras la
resistencia aumenta su valor. En este experimento
se observó una reducción del 17.5% en la corriente
(de 1.77 A a 1.46 A).
Es importante mencionar que, aunque la corriente
en el motor está en todo momento por encima de
su valor máximo en continuo, la temperatura del
bobinado no alcanza los 80 ºC, significativamente
por debajo del valor máximo admisible dado por el
fabricante (125 ºC). Este hecho puede ser debido a
que los motores del PHANToM están conectados a
otras partes metálicas del dispositivo, y por lo
tanto, su capacidad térmica es mayor. Por esta
razón, la suma de las masas del bobinado y la
carcasa mostradas en la Tabla II es 240 g, mientras
que la masa del motor es únicamente 130 g según
el fabricante.
Fig. 10. Estimación de la resistencia del bobinado
Fig. 11 Estimación de la corriente del motor
Las Figuras 10 y 11 muestran únicamente la
primera media hora de simulación. Este tiempo es
suficiente para observar los valores de régimen
permanente, pero permite además apreciar dos
constantes de tiempo muy diferentes en el modelo.
La menor de ellas podemos asociarla al
calentamiento del bobinado, mientras que la
segunda de ellas corresponde al calentamiento de
la carcasa:
(15)
(16)
Los valores tan dispares de las constantes de
tiempo se deben a las muy distintas capacidades
caloríficas que poseen el bobinado y la carcasa.
En muchas aplicaciones hápticas el escenario
virtual se toca solo esporádicamente. Si la
exploración háptica es puntual y breve, es difícil
Tiempo (min)
Tem
pera
tura
(ºC
)
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DE UN SISTEMA HÁPTICO EDUCACIONAL BASADO EN ... 73
que el usuario llegue a percibir la disminución en
la fuerza de contacto debida a la caída de corriente.
IV-C. Validación del modelo térmico
El modelo térmico se ha incluido en el algoritmo
háptico de impedancia para compensar la
influencia de la temperatura en el comportamiento
del dispositivo. El controlador de impedancia se ha
programado como un muelle elástico lineal
alrededor de un punto fijo. Esto equivale a situar
dos muelles unidos al extremo del pantógrafo, uno
en cada dirección perpendicular (Fig. 12). Para
obtener una entrada constante se ha colgado una
masa del extremo del PHANToM (265 g de peso)
y se ha elegido una rigidez virtual de 100 N/m. El
desplazamiento vertical resultante medido y se ha
usado para validar la estrategia de control.
Fig. 12. Esquema del PHANToM y el experimento
Se han realizado seis experimentos de 2 minutos.
En tres de ellos se ha corregido la actuación (8)
mediante el modelo térmico (9)-(14). Los otros tres
se han realizado sin el modelo térmico, usando el
valor constante de la resistencia R dado por el
fabricante. La Fig. 13 presenta los desplazamientos
del extremo del interfaz medidos en los seis
experimentos. Los resultados muestran una
significativa mejora en el comportamiento del
algoritmo de impedancia cuando éste incluye el
modelo térmico. También se aprecia el efecto de la
cuantización de la señal de control (un entero de 0
a 400 para dar 12 V). El código utilizado se
adjunta en el Apéndice A.
Fig. 13. Comparación del comportamiento del controlador
háptico con y sin el modelo térmico
V. PROGRAMACIÓN DE EFECTOS
HÁPTICOS
Una vez que se ha descrito cómo introducir pares
en el mecanismo aplicando una tensión (apartado
III) y cómo corregir la deriva producida por el
calentamiento del motor (apartado IV) en este
apartado se muestra cómo restituir fuerzas con
periodo de muestreo contante usando el Arduino.
En primer lugar, para obtener la posición del
mecanismo háptico –el giro del motor en la
Fig. 7– se deben contar los pulsos del encoder (en
realidad de los dos encoders del pantógrafo). Para
ello se ha empleado una librería Encoder.h de Paul
Stoffregen3. Cada vez que hay un flanco de subida
o de bajada en los canales A y B en cuadratura del
encoder, esta librería genera una interrupción para
actualizar el contador de pulsos.
Como se ha dicho en apartados anteriores, un
requisito importante de los sistemas hápticos es
que el lazo de control se ejecute a una frecuencia
igual o superior a 1 kHz (1 ms de periodo de
muestreo). Para implementar un muestreo regular
en el Arduino se ha usado un temporizador que
genere interrupciones. Esto se hace por medio de
la librería TimerThree.h versionada por Paul
Stoffregen4 que usa el Timer3 de 16 bits (el
Timer1 no se puede usar porque está ocupado por
la librería del amplificador de los motores
DualVNH5019 MotorShieldMega.h).
3www.pjrc.com/teensy/td_libs_Encoder.html 4www.pjrc.com/teensy/td_libs_TimerOne.html
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74 JORGE JUAN GIL, IÑAKI DÍAZ, XABIER JUSTO, PABLO CIÁURRIZ Y ANA LÓPEZ
Para comprobar cuál es el periodo de muestreo
mínimo que se puede implementar, se ha utilizado
la salida digital 13 del Arduino. Al comenzar la
interrupción esta salida digital se pone en alto y al
acabar las operaciones del controlador (lectura del
valor actual de los contadores de encoder,
aplicación de la cinemática, cálculo de las fuerzas
y los pares, corrección de la temperatura, etc.) se
pone en bajo. En la Fig. 14 se observa cómo un
periodo de oscilación de 2 ms es casi el umbral
inferior para dicho parámetro: las operaciones que
realiza el algoritmo de control (en alto) duran cerca
de 1.5 ms.
Fig. 14. Salida digital que visualiza la frecuencia del muestro
del controlador
Los efectos hápticos presentados al usuario con
una frecuencia de 500 Hz (2 ms de periodo de
muestreo) se perciben bien a pesar de que sea un
refresco un poco “lento” para el sentido del tacto.
Con estas herramientas, es decir, con las librerías
mencionadas, se pueden programar en C diversos
efectos hápticos. Los principales efectos que se
pueden combinar son rozamientos, rigideces,
viscosidades e inercias, que corresponden a fuerzas
constantes o proporcionales a la posición, la
velocidad o la aceleración.
A modo de ejemplo se muestra el trabajo
propuesto para una alumna del laboratorio de
robótica del CEIT, que consistió en desarrollar un
programa que dividiera el plano de movimiento del
pantógrafo en 32 sectores circulares y en cada uno
de dichos sectores hubiera un punto de referencia
hacia el que se restituyeran fuerzas proporcionales
a la distancia a dicho punto (el extremo del
pantógrafo se une al punto de referencia por un
muelle de rigidez constante). En la Fig. 15 se
presenta un esquema de los efectos hápticos
programados, pero con sólo 8 sectores y puntos de
referencia en lugar de los 32 solicitados. Se pide
que los puntos de referencia estén situados de
forma equidistante en un círculo de radio 3 cm.
Fig. 15. Ejemplo de programa con efectos hápticos
Como resultado la persona que manipula en
interfaz se puede mover alrededor del círculo
formado por los puntos de referencia y siente las
fuerzas como si la superficie del círculo sobre el
que se mueve estuviera dentada. En el Apéndice B
se presenta el código programado por la alumna.
La aplicación desarrollada es un ejemplo de
renderizado de fuerzas elásticas en entornos
virtuales. De manera análoga se pueden diseñar
modelos de interacción háptica de lo más variados
según la aplicación virtual que se desee desarrollar
[10].
VI. CONCLUSIONES
En esta publicación se ha diseñado, desarrollado y
validado un controlador háptico educacional de
bajo coste. El sistema es un banco de ensayos útil
para ingenieros mecánicos, electrónicos y de
control para aprender y practicar múltiples campos
de la ingeniería.
Se ha descrito en profundidad la plataforma
electrónica, dando explicaciones técnicas
detalladas de sus componentes. Esto permite a los
estudiantes modificar fácilmente los distintos
elementos y, eventualmente, construir sus propios
controladores. Para validar la plataforma se ha
utilizado un PHANToM Premium 1.0. El
amplificador elegido funciona en modo tensión,
debido a su menor precio. Ello conlleva algunas
desventajas, como la disminución de la fuerza
ejercida por el aumento de la temperatura del
motor. Para contrarrestar este efecto se ha incluido
un modelo térmico en el algoritmo háptico para
mejorar el comportamiento del dispositivo. Se han
llevado a cabo varios experimentos que muestran
la efectividad del modelo, que ha mejorado
notablemente el comportamiento del controlador
fuerzas
elásticas a
puntos de
referencia
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DE UN SISTEMA HÁPTICO EDUCACIONAL BASADO EN ... 75
de fuerza, eliminando el efecto de la temperatura
en el par restituido por los motores. Finalmente, el
último apartado muestra un ejemplo de aplicación
háptica desarrollado por una alumna.
Los futuros trabajos se centraran en el desarrollo
de entornos virtuales donde los estudiantes podrán
visualizar sus propias creaciones e interactuar
hápticamente con ellas.
APÉNDICE A
Código usado en el experimento de validación del
modelo térmico (no se ejecuta con periodo de
muestro constante):
voidloop() { // Pulsos del encoder pos1 = encoder1.read(); pos2 = encoder2.read(); // Tiempo actual (ms) y periodo de muestreo (s) time = millis(); dT = (time-time_ant)/1000; time_ant = time; //Ángulos en radianes q1 = pos1*pi/14863.258; q2 = pos2*pi/14863.258; // Posición cartesiana en el plano z-y (metros) zy[0] = L*(cos(q1)+sin(q2)-1); zy[1] = L*(sin(q1)-cos(q2)+1); // Fuerza en Newtons Fz = -100.0*zy[0]; Fy = -100.0*zy[1]; // Par motor en N·m T1 = L*(Fy*cos(q1)-Fz*sin(q1))*0.13456; T2 = L*(Fy*sin(q2)+Fz*cos(q2))*0.13456; // Modelos térmicos qcf1 = (Tcu1_ant - Tfe1_ant)/3.1; qfa1 = (Tfe1_ant - Ta)/4.9; R1 = R0*(1+0.0039*(Tcu1_ant-Ta)); Tcu1 = Tcu1_ant+((V1*V1/R1)-qcf1)/(0.02*380)*dT; Tfe1 = Tfe1_ant+(qcf1-qfa1)/(0.22*450)*dT; qcf2 = (Tcu2_ant - Tfe2_ant)/3.1; qfa2 = (Tfe2_ant - Ta)/4.9; R2 = R0*(1+0.0039*(Tcu2_ant-Ta)); Tcu2 = Tcu2_ant+((V2*V2/R2)-qcf2)/(0.02*380)*dT; Tfe2 = Tfe2_ant+(qcf2-qfa2)/(0.22*450)*dT; // Señal al motor motor1 = 1418.4397*R_1*t1; motor2 = 1418.4397*R_2*t2; // Tensión (V) V1 = motor1*12.0/400.0; V2 = motor2*12.0/400.0; // Actualizar variables Tcu1_ant = Tcu1; Tfe1_ant = Tfe1; Tcu2_ant = Tcu2; Tfe2_ant = Tfe2; // Saturar actuación
if (motor1 > 400) { motor1 = 400; } else if (motor1 < -400) { motor1 = -400; } if (motor2 > 400) { motor2 = 400; } else if (motor2 < -400) { motor2 = -400; } md.setM1Speed(motor1); md.setM2Speed(motor2); }
APÉNDICE B
Código del programa ejemplo que implementa
efectos hápticos:
#include <Encoder.h> #include <TimerThree.h> #include "DualVNH5019MotorShieldMega.h" // Declaraciones floatFy,Fz, distancia; floatzy[2], zyf[2]; float R_2, R_3; long pos2, pos3; float q2, q3; float t2, t3; int motor2, motor3; float phi, alpha, section; float radio; float K; intcontador; intnumero_sec=32; floatdesplaz[2]; float L=0.14; floatangulo=360/numero_sec; const float pi = 3.14159265359; int sector; int led = 13; inti = 0; Encoder encoder2(20,21); Encoder encoder3(18,19); DualVNH5019MotorShield md; void setup() { Serial.begin(9600); md.init(); Fz=0.0; Fy=0.0; contador = 0; radio=0.03; K = 300.0; R_2=2.34; R_3=2.34; t2 = 0.0; t3 = 0.0; motor2 = 0; motor3 = 0; distancia = 0.0; desplaz[0] = 0.0; desplaz[1] = 0.0; Timer3.initialize(2000); Timer3.attachInterrupt(discreto); pinMode(led, OUTPUT); } voiddiscreto() { digitalWrite(led, HIGH);
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
76 JORGE JUAN GIL, IÑAKI DÍAZ, XABIER JUSTO, PABLO CIÁURRIZ Y ANA LÓPEZ
// Obtener coordenadas (z,y) pos2 = encoder2.read( ); pos3 = encoder3.read( ); q2=pos2*pi/14863.258; q3=pos3*pi/14863.258; zy[0]= L*(cos(q2)+sin(q3)-1); zy[1]=L*(sin(q2)-cos(q3)+1); // Obtener phi (siempre positivo) alpha=atan2(zy[1],zy[0])*180/pi; if (alpha>0) { //1º y 2º cuadrante phi=alpha; } else{ //3º y 4º cuadrante phi=alpha + 360 ; } //Sector en el que estoy section= phi/angulo; sector= floor (section); //Definir punto de atrape zyf[0]=radio*cos((angulo/2 +sector*angulo)*pi/180); zyf[1]=radio*sin((angulo/2 +sector*angulo)*pi/180) ; //Fuerza necesaria para ir al punto de atrape y zona circular de 1 cm radio donde no se devuelven fuerzas distancia = sqrt(zy[0]*zy[0]+zy[1]*zy[1]); if (distancia<0.01) { Fz=0.0; Fy=0.0; } else { desplaz[0]=zyf[0]-zy[0]; desplaz[1]=zyf[1]-zy[1]; Fz= K*desplaz[0]; Fy= K*desplaz[1]; } // Par motores en N*m t2 = L*(Fy*cos(q2)-Fz*sin(q2))*0.13456; t3 = L*(Fy*sin(q3)+Fz*cos(q3))*0.13456; // Tensión en V motor2 = 1418.4397*R_2*t2; motor3 = 1418.4397*R_3*t3; // Saturaractuación if (motor2 > 400) { motor2 = 400; } else if (motor2 < -400) { motor2 = -400; } if (motor3 > 400) { motor3 = 400; } else if (motor3 < -400) { motor3 = -400; } md.setM1Speed(motor2); md.setM2Speed(motor3); digitalWrite(led, LOW); } voidloop() {// No hace nada, salvo contar if(contador<20000){ contador = contador+1; } else { contador = 0; } }
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Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DE UN SISTEMA HÁPTICO EDUCACIONAL BASADO EN ... 77
Jorge Juan Gil nació en Logroño,
España, en 1973. Obtuvo los títulos de
Ingeniero Industrial y Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad
de Navarra, San Sebastián, España, en
1997 y 2003 respectivamente. Su tesis doctoral versa sobre el control y el
análisis de estabilidad de sistemas
hápticos. Desde la defensa de su tesis trabaja como docente en la Escuela
Superior de Ingenieros de la Universidad de Navarra
(TECNUN) y como investigador en el Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT). En 2006 realizó una estancia
como investigador visitante en el Instituto de Robótica y
Mecatrónica de DLR, Múnich, Alemania. Desde 2013 es profesor titular de la Universidad de Navarra.
Actualmente imparte la asignatura de Tecnología de Sistemas y
Automática, es Subdirector del Departamento de Mecánica de TECNUN y director del área de Dinámica Experimental y
Diseño del CEIT. Sus áreas de investigación son la robótica y la
automática.
Iñaki Díaz nació en Beasain, España, en 1980.Completó sus estudios
superiores en Ingeniería Industrial y
Doctorado en Ingeniería Industrial en TECNUN, la Escuela Superior de
Ingenieros de la Universidad de
Navarra, San Sebastián, España, en 2004 y 2008, respectivamente.
Desde el año 2008 es investigador del
Departamento de Mecánica Aplicada del CEIT y Profesor Contratado Doctor en TECNUN. Sus
líneas de investigación principales se centran en los sistemas
hápticos y la cirugía robótica. Es coautor de múltiples artículos en revista con índice de impacto, así como de publicaciones en
congresos internacionales de primer nivel. Además es co-
inventor de dos patentes en el ámbito de la bioingeniería.
Pablo Ciáurriz nació en Orkoien,
España, en 1986. Obtuvo los títulos de
Ingeniero Industrial y Doctor Ingeniero Industrial por la
Universidad de Navarra, España, en
2010 y 2014 respectivamente. Su tesis estudia la estabilidad de dispositivos
acoplados hápticamente y la
aplicación de dispositivos hápticos a la tecnología drive-by-wire. Es
coautor de varios artículos en revistas con índice de impacto,
además de congresos nacionales e internacionales. Desde el año 2014 es investigador del CEIT en el Departamento de Mecánica
aplicada.
Xabier Justo nació en Tolosa,
España, en 1986. Completó sus estudios superiores en Ingeniería
Industrial y Master en Mecánica
Aplicada en TECNUN, Universidad de Navarra, San Sebastián, España, en
2009 y 2012 respectivamente. Durante
el curso académico 2009/2010 fue director del equipo de Formula
Student/SAE en TECNUN. Desde
2011 es doctorando del Departamento de Mecánica Aplicada del CEIT. Sus líneas de investigación principales se centran en
diseño mecánico de sistemas biomecánicos. Además es
inventor de una patente en el ámbito de la bioingeniería.
Ana López nació en Zaragoza, España, en 1994.Actualmente estudia
tercer curso del grado de Ingeniero en
Tecnologías Industriales en la Escuela Superior de Ingenieros de la
Universidad de Navarra (TECNUN),
San Sebastián, España.En los cursos
2013/2014 y 2014/2015 ha colaborado
como alumna interna en el laboratorio
de robótica del CEIT.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
78 JORGE JUAN GIL, IÑAKI DÍAZ, XABIER JUSTO, PABLO CIÁURRIZ Y ANA LÓPEZ
Capítulo 8
MEMS:del Aula a la Wii
Cecilia Gimeno, Carlos Sánchez-Azqueta, Santiago Celma, Concepción Aldea
Group of Electronic Design – Aragón Institute of Engineering Research (GDE-i3A)
Universidad de Zaragoza
Zaragoza
{cegimeno, csanaz, scelma, caldea}@unizar.es
Title – MEMS: from the Classroom to the Wii
Abstract– This paper describes a learning
experience designed to introduce the students of
a Degree in Physics specializing in Micro and
Nano Systems to the use of professional tools for
the design and characterization of a MEMS
(Micro-ElectroMechanical System) through a
specific commercial realization: the MEMS
used by the well-known gaming platform
Nintendo Wii. The project adapts to a teaching
environment all the steps leading to the
fabrication of a MEMS, from its design using
specific software to its experimental
characterization after fabrication. It allows an
innovative approach by which students carry
out a collaborative work in a realistic
experience, and it serves to introduce students
of a scientific discipline to the tools and work-
flow typical of the engineering field.
Keyworks– Active learning, micro-electro-
mechanical systems (MEMS), professional
design tools, realistic learning environment,
simulation software.
Resumen– Este trabajo describe una
experiencia de aprendizaje diseñada para
introducir al estudiante de la asignatura Micro
y NanoSistemas del Grado en Física en el uso de
las herramientas profesionales para el diseño y
caracterización de un MEMS (sistemamicro-
electromecánico) a través de una realización
comercial específica: el MEMS utilizado por la
conocida plataforma de juegos Nintendo Wii. El
proyecto adapta a un entorno académico los
pasos conducentes a la fabricación de un
MEMS, desde su diseño, utilizando software
específico, a su caracterización experimental
después de la fabricación. Esto permite
desarrollar una iniciativa innovadora en la que
los estudiantes llevan a cabo un trabajo
colaborativo en una experiencia realista. Otro
de los beneficios aportados es que permite
introducir a los estudiantes de una disciplina
científica en las herramientas y flujo de trabajo
típicos del campo de la ingeniería.
Palabras clave– Aprendizaje activo, entorno de
aprendizaje realista, herramientas de diseño
profesionales, sistemas micro-electromecánicos
(MEMS), software para simulación.
I. INTRODUCCIÓN
La declaración de Bolonia [1] fue el punto de
partida del proceso de convergencia hacia el
Espacio Europeo de Educación Superior (EEES),
cuyo fin se produjo en el año 2010. En la
actualidad se ha implementado en todos los grados
ofrecidos por las universidades españolas.
Una de las consecuencias de este nuevo marco
académico es el cambio de paradigma de
enseñanza-aprendizaje hacia uno que garantice el
79
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
desarrollo de las competencias genéricas y
específicas (instrumentales, interpersonales y
sistémicas) requeridas en cada titulación y su
integración en una sociedad de la información y el
conocimiento. Entre las características de este
cambio de paradigma podemos destacar: una
enseñanza centrada en el estudiante y la elección
de la metodología que mejor se adapte a la
estrategia de aprendizaje [2].
El principal objetivo de enseñanza en el EEES es
ayudar a los estudiantes a aprender de manera
autónoma mientas realizan actividades diseñadas
específicamente por el profesor para la adquisición
de cada competencia; a tal fin, es imprescindible
proveer a los estudiantes de entornos que simulen
el ámbito profesional de manera realista y en los
que puedan desarrollar lo que han aprendido en el
aula[3]. En este trabajo se describe una estrategia
de aprendizaje implementada para recrear el
proceso de diseño y caracterización de un
dispositivo micro-electromecánico comercial
(MEMS) que se llevaría a cabo en un entorno
profesional [4]-[6].
El objetivo de este curso es conseguir que los
estudiantes adquieran competencias básicas en
técnicas de análisis, diseño y simulación de micro
y nano sistemas, que aprendan las distintas etapas
de su proceso de fabricación y sus aplicaciones
más relevantes. Se hace especial énfasis en los
sistemas eléctricos y mecánicos, con micro y nano
tecnología aplicada, ya que son la base de los
sensores inteligentes, utilizados en innumerables
aplicaciones en la actualidad. Como un ejemplo
paradigmático podemos citar el acelerómetro que
incorporan los mandos de la plataforma de juegos
Wii.
Un físico experimental debe conocer no sólo el
principio físico de operación de este tipo de
dispositivos, sino también su proceso de diseño y
fabricación. La asignatura, a pesar de estar
circunscrita al ámbito de la Física, tiene una
inmediata utilidad en muchas otras disciplinas
experimentales.
Las habilidades y competencias que se adquieren
en esta asignatura permiten a los estudiantes
comprender el principio de operación de los micro
y nano sistemas físicos más utilizados en la
actualidad. La naturaleza interdisciplinar de este
campo se hace evidente en las múltiples áreas de
conocimiento involucradas: óptica, mecánica,
electrónica, etc. La naturaleza transversal de su
contenido hace que la temática sea especialmente
interesante para cualquier estudiante del Grado en
Física, independientemente de su itinerario
curricular.
Con la intención de lograr que el proceso de
aprendizaje sea más estimulante para los
estudiantes, se ha elegido un MEMS de entre los
que incorpora el conocido mando de la plataforma
de videojuegos Wii, el Wiimote, que utiliza una
combinación de acelerómetros y detección
infrarroja para determinar su posición en el espacio
tridimensional [7]. Esta aplicación lúdica y
comercial sirve para contextualizar la descripción
académica del proceso de diseño, fabricación y
caracterización experimental de un MEMS, y en
particular de un acelerómetro [8], [9].
Este enfoque innovador permite a los estudiantes
matriculados en la asignatura Micro y Nano
Sistemas del Grado en Física de la Universidad de
Zaragoza familiarizarse con los recursos
profesionales utilizados para el diseño y
caracterización de un MEMS, a la vez que
desarrollan un trabajo colaborativo en un entorno
realista.
Los estudiantes han desarrollado un portfolio en el
que se cubren los aspectos más relevantes del
diseño y la caracterización experimental de un
acelerómetro para su uso en el Wiimote, tales
como su principio físico de operación y sus
aplicaciones a los micro y nano sistemas, las
herramientas informáticas utilizadas, o el
desarrollo de medidas automatizadas. La elección
del portfolio se justifica en el hecho de que es la
mayor expresión instrumental de recogida
sistemática y ordenada de información durante el
periodo de aprendizaje y formación [10]. Es
destacable que los estudiantes no sólo adquieren
habilidades técnicas de manera global e integrada
en un caso realista, sino que también tienen la
oportunidad de usar herramientas de diseño
profesionales.
La implementación de esta estrategia de
aprendizaje introduce a los estudiantes del Grado
en Física, caracterizado por tener una importante
carga teórica, en las metodologías y herramientas
que típicamente se encuentran en el campo de la
Microtecnología, lo que hace que mejore su
comprensión de los fenómenos físicos mediante la
combinación de la descripción analítica y su
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
80 CECILIA GIMENO, CARLOS S. AZQUETA, SANTIAGO CELMA Y CONCEPCIÓN ALDEA
aplicación real. Esto es particularmente importante
desde un punto de vista profesional ya que la
Microtecnología es un campo natural de
empleabilidad para graduados en Física, en el que
se integrarán en equipos de ingeniería
interdisciplinares [11].
La experiencia descrita en el presente trabajo ha
fomentado la autonomía de los estudiantes en su
proceso de aprendizaje, en la planificación e
implementación de un proyecto a medio plazo y en
la escritura y defensa de un informe de carácter
científico-técnico.
El artículo está organizado de la siguiente manera:
la Sección I es la introducción, la Sección II detalla
la relación de la asignatura con la estructura del
Grado en Física de la Universidad de Zaragoza, la
Sección III presenta las metodologías utilizadas en
la asignatura y las actividades que se han llevado a
cabo y, finalmente, las conclusiones se presentan
en la Sección IV.
II. ESTRUCTURA DEL GRADO EN
FÍSICA
El Grado en Física de la Universidad de Zaragoza
es una titulación de carácter fundamental y
proporciona formación en una de las ramas más
relevantes de la Ciencia y la Tecnología. Es clave
en una sociedad que pretende hacer del
conocimiento científico una de las bases de su
desarrollo, y ofrece una formación versátil que
permite a sus titulados responder a la demanda de
capital humano en muchos de los ámbitos de la
I+D+i, que será el motor económico de los
próximos años. Actualmente, un sector importante
de ocupación de los físicos se engloba dentro de la
industria de alto valor tecnológico. A esto se une la
necesidad de aumentar la competitividad de las
empresas, lo que lleva a un incremento de las
inversiones en innovación tecnológica (bien vía
I+D+i interna, o por adquisición de material y
personal tecnológico externos) promovido también
desde la administración pública a través de ayudas
y programas diversos de cooperación. Especialistas
en metrología, electrónica, nuevos materiales,
óptica, etc., son cada vez más demandados por la
industria.
La orientación del Grado en Física por la
Universidad de Zaragoza es generalista dentro del
ámbito científico y se articula en torno a los
siguientes objetivos [12]:
Proporcionar conocimiento teórico y
experimental de los principios generales
de la Física y de las técnicas e
instrumentación de uso más habitual, con
hincapié en aquellos aspectos de especial
relevancia por su trascendencia
conceptual o su visibilidad en el entorno
científico, tecnológico y social.
Dotar a los graduados de una formación
versátil y polivalente que les capacite para
el ejercicio de actividades de carácter
profesional en el ámbito científico-
tecnológico, incluyendo actividades de
investigación, innovación y desarrollo
dentro de equipos multidisciplinares.
TABLA I
Asignaturas por módulos
Módulo ECTS Curso ECTS
Básicas 38
Fundamentos de
Física I y II 12
Laboratorio en
Física 6
Biología/Geología 6
Química 6
Informática 6
Idioma extranjero
(B1) 2
Métodos
Matemáticos 48
Algebra I y II 6+6
Análisis Matemático
6
Cálculo Diferencial 6
Cálculo Integral y
Geometría 6
Ecuaciones
Diferenciales 6
Métodos
Matemáticos para la Física
6
Física
Computacional 6
Física Clásica 42
Mecánica clásica I y II
7+7
Electromagnetismo 8
Ondas
Electromagnéticas 6
Óptica 8
Termodinámica 6
Estructura de
la Materia 45
Física Cuántica I &
II 7+8
Física Estadística 6
Física del Estado
Sólido I & II 6+6
Física Nuclear y de
Partículas 6
Física Electrónica 6
Técnicas
Físicas 24
Técnicas Físicas I,
II y III 8+10+6
Optativas 35
Trabajo fin de Grado
8
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MEMS: DEL AULA A LA WII 81
El Grado en Física se estructura en 240 créditos
ECTS (European System Transfer Credits), de los
cuales 60 ECTS tienen un carácter básico, 131
ECTS son obligatorios, 41 ECTS son optativos, y
8 ECTS corresponden a un trabajo de fin de grado
que desarrolla competencias transversales e integra
conocimientos y habilidades adquiridas a lo largo
de toda la titulación. Las distintas asignaturas
propuestas se han organizado en módulos, que
también se incluyen en la Tabla I. Las asignaturas
propuestas tienen carácter cuatrimestral o anual y
su duración en ECTS, que se muestran en las
Tablas I y II, siguen las directrices establecidas por
la Universidad de Zaragoza [13].
El módulo de optativas específicas del plan de
estudios consiste en 35 ECTS a cursar por el
estudiante, repartidos en siete asignaturas de 5
ECTS cada una. Tres de ellas están pensadas para
ser cursadas en el tercer curso del grado y el resto
en cuarto. No se han establecido requisitos
especiales para cursar las materias optativas ni
itinerarios formativos, permitiéndose por lo tanto
que el estudiante matricule también en cuarto
curso alguna de las asignaturas de tercero. La
oferta de optatividad del grado se diseñó
atendiendo a una serie de criterios de valoración
académica entre los que podemos destacar:
Que posea un carácter transversal.
Que posea un carácter interdepartamental.
Que se adapte al mercado laboral o a
temas actuales.
Las asignaturas ofertadas, siguiendo los criterios
anteriores, se recogen en la Tabla III junto con la
información relativa a su recomendación del año
para ser cursadas.
La asignatura objeto de este trabajo, Micro y Nano
Sistemas, es una asignatura optativa de 5 ECTS
indicada para estudiantes tanto de tercero como de
cuarto curso del Grado en Física (Tabla III).De
esta manera, y de acuerdo con la Tabla I, se puede
observar que los estudiantes que se matriculan en
esta asignatura tienen un buen conocimiento de los
fundamentos de la Física, de métodos matemáticos
y de herramientas de programación, así como
experiencia suficiente en un laboratorio.
Todo este conocimiento y experiencia de los
estudiantes sirve como base para diseñar
actividades dirigidas hacia un objetivo central: que
los estudiantes adquieran las competencias básicas
en técnicas de análisis, diseño y simulación de
TABLA III
Asignaturas optativas
Optativa Semestre Año
Astronomía y Astrofísica S1
3º
o
4º
Caos y Sistemas Dinámicos no Lineales
S2
Física Atmosférica S2
Física de Fluidos S1
Gestión empresarial y proyectos S1
Gravitación y Cosmología S2
Historia de la Ciencia S2
Iluminación y Calorimetría S2
Laser y Aplicaciones S2
Micro- y Nano-Sistemas S2
Microondas: Propagación y Antenas S1
Prácticas externas S1-S2
Aplicaciones de la Difracción e Interferometría
S2
4º
Dispositivos y Sistemas Fotónicos S2
Dosimetría y Radioprotección S1
Espectroscopia S2
Fenómenos Críticos S2
Física Biológica S2
Física de Altas Energías S2
Física Nuclear y Tecnología S2
Geofísica S2
Mecánica Cuántica S1
Sistemas Digitales S1
TABLA II
Asignaturas por años
Año Primer semestre
(ECTS)
Segundo semestre
(ECTS)
Primero
Fundamentos de Física I (6)
Fundamentos de Física II (6)
Química (6) Laboratorio en Física
(6)
Algebra I (6) Algebra II (6)
Análisis Matemático
(6) Cálculo Diferencial (6)
Informática (6) Biología/Geología (6)
Segundo
Mecánica Clásica I (7) Mecánica Clásica II (7)
Cálculo Integral y
Geometría (6)
Métodos Matemáticos
(6)
Ecuaciones Diferenciales (6)
Física Computacional (6)
Electromagnetismo (8) Ondas
Electromagnéticas (8)
Técnicas Físicas I (3+5)
Tercero
Física Cuántica I (7) Física Cuántica II (8)
Termodinámica (6) Física Estadística (6)
Óptica (8) Optativa (5)
Optativa (5) Optativa (5)
Técnicas Físicas II (4+6)
Cuarto
Estado Solido I (6) Estado Solido II (6)
Técnicas Físicas III (6) Optativa (5)
Física Electrónica (6) Optativa (5)
Física Nuclear y de
Partículas (6) Optativa (5)
Optativa (5) Trabajo Fin de Grado (8)
Idioma extranjero B1 (2)
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82 CECILIA GIMENO, CARLOS S. AZQUETA, SANTIAGO CELMA Y CONCEPCIÓN ALDEA
micro y nano sistemas, haciendo particular énfasis
en los sistemas eléctrico-mecánicos.
III. METODOLOGIAS Y ACTIVIDADES
Existen distintas teorías que explican cómo se
lleva a cabo el proceso de aprendizaje. Una de las
más exitosas y extendidas es el llamado Ciclo de
Kolb [14]. Representado en la Fig. 1, establece que
para conseguir un aprendizaje efectivo, el proceso
de aprendizaje debe cubrir de manera cíclica
cuatro etapas:
Experiencia concreta.
Observación reflexiva.
Conceptualización abstracta.
Experimentación activa.
El Ciclo de Kolb, así como modificaciones suyas,
es ampliamente utilizado en educación superior
[15]-[17]. Así, para el caso particular de
aprendizaje en el campo de la Ingeniería, Harb et al. [16] proponen una realización particular del
Ciclo de Kolb en el que las cuatro etapas se llevan
a cabo mediante el desarrollo de actividades de
diversa naturaleza, todas ellas con una sencilla
implementación en disciplinas de Ingeniería:
Historias motivacionales (¿Por qué?).
Descripción teórica (¿Qué?).
Convergencia (¿Cómo?).
Adaptación (¿Y si…?).
La estructura de la asignatura y de las distintas
actividades propuestas en él se ha llevado a cabo
de manera que siga la implementación de Harb et al. del Ciclo de Kolb en disciplinas tecnológicas
[18]. Los siguientes apartados están dedicados a su
descripción y a detallar cómo encajan en la
estructura de Harb et al.
A. MOTIVACIÓN
En la adaptación del Ciclo de Kolb realizada por
Harb et al. para la enseñanza en Ingeniería, la
primera etapa se diseña con el objetivo de
conseguir atraer la atención de los estudiantes para
que los motive y anime a continuar con el proceso
de aprendizaje. En particular, Harb et al. sugieren
el uso de historias motivacionales para las
actividades de introducción.
En nuestro caso, se han identificado dos factores
clave para la motivación de los estudiantes. Por un
lado, las actividades se realizan mediante un
conocido dispositivo de videojuegos, el Wiimote,
lo que ha sido valorado como muy atractivo por
los estudiantes. Además, se ha pedido a los
estudiantes que creasen rutinas para establecer
comunicación con el Wiimote para recoger
información y llevar a cabo su procesado posterior,
lo que ha supuesto un estímulo añadido ya que les
proporciona una serie de herramientas para usar
sus propios Wiimotes en proyectos personales.
Por otro lado, la actividad se ha diseñado para
reproducir un entorno industrial, de manera que,
además de familiarizarse con la fabricación y
caracterización de un MEMS, han tenido la
oportunidad de manejar herramientas informáticas
específicas usadas en la industria. Además, los
estudiantes han participado en actividades que
incrementan su futura empleabilidad tales como el
desarrollo de un proyecto y la escritura y defensa
de un informe científico-técnico, contribuyendo
asimismo al desarrollo de habilidades y
competencias como son el trabajo en equipo o el
aprendizaje autónomo.
Debido a la limitada duración del curso y a otras
consideraciones, tales como la necesidad de
llevarlo a cabo con un presupuesto moderado,
algunas etapas del diseño, fabricación y
caracterización de un MEMS han sido
simplificadas y adaptadas a la naturaleza del curso,
pero de manera que se permita a los estudiantes
realizar todas las tareas que un diseñador llevaría a
cabo en un caso real. En particular, en vez de un
acelerómetro, los estudiantes han diseñado un
cantiléver, que es su componente básico; además,
el prototipo no se ha enviado a fabricar debido a
restricciones en el tiempo y en el presupuesto, de
manera que los estudiantes han caracterizado un
acelerómetro comercial.
Fig. 1. Etapas del Ciclo de Aprendizaje de Kolb y cómo los
estudiantes realizan una tarea (ver/hacer) y su respuesta emocional (pensar/sentir).
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MEMS: DEL AULA A LA WII 83
B. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Siguiendo la estructura de la adaptación de Harb et al. del Ciclo de Kolb, la siguiente etapa busca
proporcionar a los estudiantes los fundamentos
teóricos básicos para que construyan su
aprendizaje. En esta fase, es preferible dirigir a los
estudiantes a lo largo de los contenidos teóricos
mediante lecciones magistrales y seminarios para
conseguir una transición más natural hacia la etapa
en la que realizarán contribuciones activas.
Durante esta fase se han cubierto dos aspectos
fundamentales:
Descripción teórica de un acelerómetro.
Revisión de herramientas para el diseño y
simulación de MEMS.
Entre los diferentes dispositivos MEMS que
forman parte de un Wiimote, se ha elegido un
acelerómetro debido a que constituye un nexo de
unión natural entre los MEMS y el currículum del
Grado en Física; en particular, su caracterización
experimental requiere del uso de conceptos de
cinemática y mecánica con los que los estudiantes
del Grado en Física están familiarizados.
Esta etapa se ha dividido en seis sesiones que
cubrieron los siguientes aspectos:
Tipos de acelerómetros y su principio de
operación.
Tecnologías de fabricación de MEMS.
Herramientas informáticas para el diseño
y simulación de MEMS.
Además de discutir y analizar dichos aspectos, los
estudiantes han tenido la oportunidad de trabajar
con hojas de especificación de MEMS
comerciales, a partir de las cuales han identificado
las características principales que definen su
operación; tomándolas como base, los estudiantes
han sido capaces de reconocer el principio
transductor de cada acelerómetro.
La descripción del compilador de silicio
(CADENCE) y el software de diseño (ELMER y
SALOME) se ha realizado usando una estructura
de seminarios ya que dicha metodología está
especialmente indicada para explorar en
profundidad y de manera colectiva tópicos con un
alto grado de especialización.
Tras esta etapa, los estudiantes cuentan con las
competencias instrumentales suficientes para
acometer con éxito el diseño del acelerómetro.
C. INTRODUCCCIÓN A LAS HERRAMIENTAS PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA FÍSICO
El formato del curso ha sido desarrollado para que
los estudiantes tengan la oportunidad de participar
en la mayor medida posible en el diseño y
caracterización de un MEMS implementado en un
sistema real como es el Wiimote, a la vez que se
mantienen unos módulos lo suficientemente
abarcables como para que puedan ser completados
a lo largo de las distintas sesiones de laboratorio.
Debido al ajustado calendario y a la complejidad
del layout de un acelerómetro MEMS, se ha
propuesto a los estudiantes que diseñen un
cantiléver, que es el elemento básico de la
operación de un acelerómetro, de manera que
puedan trabajar con las herramientas de layout de
MEMS que usaría un diseñador profesional (Fig.
2).
Así, los estudiantes trabajan con el programa
ELMER para diseño de MEMS [19], que es una
herramienta de código abierto para problemas
multi-físicos y que usa el Método de Elementos
Finitos (FEM) para resolver las ecuaciones en
derivadas parciales que describen los modelos
físicos de sistemas en dinámica de fluidos,
mecánica de estructuras, electromagnetismo,
transferencia de calor, etc.; y SALOME [20], un
programa gratuito que proporciona una plataforma
genérica de pre- y post-procesado para
simulaciones numéricas, facilitando la integración
de nuevos componentes en sistemas heterogéneos
para simulación numérica. Además, una sesión de
laboratorio se destina a introducir a los estudiantes
en CADENCE (con licencias académicas) [21], un
entorno de automatización del diseño electrónico
Fig. 2. Captura de pantalla de la herramienta de diseño de
MEMS.
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84 CECILIA GIMENO, CARLOS S. AZQUETA, SANTIAGO CELMA Y CONCEPCIÓN ALDEA
utilizado para el diseño de circuitos integrados,
systems-on-chip y placas de circuito impreso
(PCBs).
D. CARACTERIZACIÓN DEL ACELERÓMETRO ADXL335
Con el objetivo de investigar el comportamiento de
un acelerómetro comercial diseñado con técnicas
MEMS y compararlo con el encontrado en una de
sus aplicaciones más populares, el Wiimote, los
estudiantes han explorado las distintas técnicas
para caracterizar y determinar experimentalmente
la aceleración (angular y lineal) que proporciona el
acelerómetro elegido.
Como se ha indicado en el apartado de
Motivación, las limitaciones en la duración del
curso y el presupuesto han impedido enviar el
acelerómetro diseñado a fabricación para su
caracterización experimental. En su lugar se ha
utilizado un acelerómetro comercial para la
realización de la parte experimental del curso. En
particular, el acelerómetro escogido para
caracterizar es el ADXL 335, fabricado por Analog
Devices, Inc. [22] ya que pertenece a la misma
familia que el utilizado en el Wiimote. El montaje
experimental incluye el acelerómetro bajo test
(ADXL 335), un actuador robótico (Dynamixel
AX-12A) y una superficie mecanizada sobre la que
se coloca el acelerómetro que se caracteriza. La
Fig. 3 muestra una fotografía del acelerómetro
ADXL 335 y la Fig. 4 muestra una fotografía del
actuador robótico Dynamixel AX-12A.
El actuador robótico está formado por un motor
DC de precisión, una reductora y circuitería de
control. Cada actuador tiene un microprocesador
embebido que facilita la comunicación a través de
un bus, información posicional y monitorización
de temperatura y carga. Además, el
microcontrolador embebido en el Dynamixel
cuenta con un conjunto de propiedades
configurables por el usuario que permiten adaptar
los servos específicamente para cada aplicación;
por ejemplo, cuenta con ajuste de velocidad,
torque.
El actuador robótico se puede controlar
directamente con controladores específicos como
CM-2, CM-2+ o CM-5; sin embargo, los
estudiantes lo controlan con un PC, lo que hace
necesario un sistema para establecer la
comunicación con el actuador. El utilizado en esta
actividad es el USB2Dynamixel, que se conecta al
PC mediante USB y que permite la conexión (con
conectores específicos de 3 y 4 pines) de varios
Dynamixels para enviar las órdenes necesarias
para su funcionamiento.
También es necesario contar con un programa
específico para transmitir las órdenes al actuador.
Éste es el Dynamixel Manager, que puede ser
descargado de manera sencilla de la página web de
Robotis (www.robotis.com/usb2dynamixel). Dicho
programa permite la elección del modo de
operación del Dynamixel AX-12A así como de sus
parámetros más relevantes. Una imagen de este
software se muestra en la Fig. 5.
La superficie mecanizada sirve para posicionar el
acelerómetro y permite su alimentación y conexión
con la instrumentación de medida. Un detalle del
montaje experimental se muestra en la Fig. 6.
Fig. 3. Detalle del acelerómetro ADXL335.
Fig. 5. Captura de pantalla del software Dynamixel Manager.
Fig. 4. Detalle del actuador robótico Dynamixel AX-12A.
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MEMS: DEL AULA A LA WII 85
En esta sesión de laboratorio, los estudiantes deben
caracterizar la aceleración medida por el
acelerómetro en los distintos ejes y explicar los
resultados obtenidos (tanto de aceleración angular
como lineal) en términos de la propiedades de una
partícula con movimiento uniformemente
acelerado. Deben trabajar con las hojas de
especificaciones de los elementos para identificar
las principales características del acelerómetro y
para determinar su principio físico. De esta
manera, los estudiantes se familiarizan con la
operación de la instrumentación y el equipamiento
electrónico utilizado para caracterizar el
acelerómetro, a la vez que testean y analizan la
funcionalidad de la PCB usada para la
caracterización del acelerómetro, entendiendo la
física que hay tras todas las medidas realizadas. En
una primera configuración, los estudiantes deben
detectar la aceleración normal, para lo que deben
situar el circuito integrado que incluye el ADXL
335 de manera que su eje „y‟ mida la aceleración
normal.
Por último, los estudiantes pueden ampliar el
experimento modificando el montaje de manera
que éste sea capaz de medir la aceleración de la
gravedad (¿Y si…?).
E. CARACTERIZACIÓN DELACELERÓMETRO EN EL WIIMOTE Y COMPARATIVACON LOS RESULTADOS PREVIOS.
En este módulo los estudiantes realizan los mismos
test que hicieron con el acelerómetro, pero en este
caso situando el Wiimote sobre la superficie
mecanizada.
El Wiimote es el mando controlador que utiliza la
plataforma de videojuegos Wii de Nintendo. Lleva
incorporado un acelerómetro de tres ejes de
Analog Devices, Inc., el ADXL 330 [23], que
pertenece a la misma familia que el acelerómetro
previamente caracterizado, el ADXL 335. El
ADXL 330 es un acelerómetro completo de 3 ejes,
pequeño y de bajo consumo que suministra a su
salida voltajes acondicionados. Mide la aceleración
con una escala completa mínima de ±3g y es capaz
de medir la aceleración de la gravedad de forma
estática en aplicaciones de medida de inclinación
así como la aceleración dinámica resultante de
movimientos, choques o vibraciones.
Gracias a la conectividad Bluetooth del Wiimote,
es posible establecer comunicación entre él y otros
dispositivos con esta tecnología inalámbrica. En
este caso, los estudiantes utilizan un PC con un
adaptador Bluetooth de propósito general
(Conceptronics CBT200NANO) para conectar el
Wiimote. Para llevar a cabo la comunicación entre
el PC y el Wiimote se ha utilizado una aplicación
gratuita, llamada GlovePIE. GlovePIE (Glove
Programmable Input Emulator) es un programa
escrito por Carl Kenner que inicialmente se
utilizaba para emular todo tipo de entradas usando
todo tipo de dispositivos, entre los se encontraba el
Wiimote. GlovePIE proporciona una serie de
comandos para comunicarse con el Wiimote y
enviar y recibir información, así como algunas
directrices de control de flujo, condiciones,
lazos…, que posibilitan escribir y compilar
programas. Asimismo, el programa es capaz de
adquirir datos directamente del Wiimote. Una
imagen del montaje experimental se muestra en la
Fig. 7.
Así, con el montaje descrito, los estudiantes deben
obtener información diversa del Wiimote. En
primer lugar, se les pide que obtengan la
aceleración en los tres ejes, velocidades angulares
y lineales, etc. Además los estudiantes tienen que
estimar la posición del acelerómetro dentro del
Wiimote a partir de los datos recogidos. Para
determinar con precisión la posición del
acelerómetro sin la necesidad de desmontarlo, los
estudiantes han llevado a cabo un experimento
Fig. 7. Montaje experimental para caracterizar el
acelerómetro interior del Wiimote.
Fig. 6. Detalle de la placa de circuito impresa diseñada para
caracterizar el acelerómetro.
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86 CECILIA GIMENO, CARLOS S. AZQUETA, SANTIAGO CELMA Y CONCEPCIÓN ALDEA
típico de movimiento circular en el que
manteniendo el Wiimote en una posición fija, se
hace girar con velocidad constante.
Los datos se recogen usando GlovePIE y se envían
a un fichero de texto. A partir de ellos los
estudiantes deben representar la aceleración
centrípeta (o normal) medida por el Wiimote (y
que ofrece en m/s2) frente al cuadrado de la
velocidad angular, que se puede obtener a partir
del periodo de rotación; la pendiente de la línea
recta resultante indica la distancia del acelerómetro
hasta el eje de rotación. Los estudiantes deben
obtener que la localización del acelerómetro es
aproximadamente debajo del botón “A” (ver Fig.
8).
Es importante mencionar que antes de cada
experimento es necesario realizar una calibración
del acelerómetro, lo que se realiza mediante el
programa; el proceso requiere colocar el Wiimote
en una superficie estable paralela al eje que se va a
calibrar.
Para todo el procesado de los datos experimentales
y la extracción de conclusiones, los estudiantes han
desarrollado una serie de códigos mediante
MATLAB. Una representación del tipo de
tratamiento numérico que han tenido que llevar a
cabo los estudiantes se muestra en la Fig. 9.
E. INFORME FINAL.
El informe final que se pide realizar a los
estudiantes les brinda la oportunidad de
documentar y presentar la teoría y los resultados
del trabajo desarrollado durante el curso, así como
de ganar experiencia en la escritura técnica [24].
Los estudiantes presentan su trabajo con formato
de proyecto, de manera que deben analizar el
problema, sugerir y aplicar la solución más
conveniente y evaluar los resultados obtenidos. El
resultado obtenido se debe materializar, en la
medida de lo posible, en formato tangible (en
nuestro caso el sistema de caracterización del
acelerómetro comercial y del Wiimote) y en un
informe escrito. Esto es de gran importancia
porque es lo que los estudiantes se encontrarán en
su futuro profesional.
El formato sugerido de presentación del informe se
proporciona al principio del curso. Las
calificaciones están basadas en el desempeño
individual y del grupo. Los estudiantes reciben
calificaciones individuales de su labor
desempeñada en el laboratorio, de los ejercicios de
autoevaluación y en las presentaciones, mientras
que todos los miembros de un grupo reciben la
misma calificación en su informe final. De esta
manera, por tanto, se enfatiza tanto el trabajo
individual como el desempeño colectivo.
IV. RESULTADOS
Evaluar un proceso de enseñanza-aprendizaje sirve
para determinar los aprendizajes conseguidos en
función de los objetivos que tenemos marcados, y
para ello el proceso evaluativo deberá ser continuo
para aportar la realimentación necesaria al proceso
de adquisición de conocimientos, comprensivo y
diversificado en métodos y debe ser pensado
también como una actividad de aprendizaje. La
evaluación se realiza mediante un e-portfolio que
cubre el principio de operación, el proceso de
fabricación y las principales aplicaciones del
MEMS bajo estudio, estructurado de manera que
sea fácilmente exportable a formato Wiki. Para
ello, los estudiantes reciben materiales específicos,
alojados en la plataforma de e-learning de la
Universidad de Zaragoza, que cubren los aspectos
más relevantes que se deben reflejar en el e-
portfolio, y que sirve como base para la generación
de resultados de aprendizaje, por tanto
contribuyendo a su autonomía en el aprendizaje.
Fig. 8. Wiimote. El acelerómetro está localizado debajo del
botón “A”.
Fig. 9. Representación del tratamiento de datos llevado a
cabo por los estudiantes para caracterizar el acelerómetro.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
MEMS: DEL AULA A LA WII 87
En particular, se busca conseguir cuatro resultados
de aprendizaje asociados con los contenidos de la
asignatura Micro y Nano Sistemas. Los estudiantes
al finalizar el proceso deben ser capaces de:
Describir el proceso de fabricación de un
micro dispositivo.
Modelar analíticamente un MEMS
usando aproximaciones.
Manejar herramientas informáticas
específicas para simulación de MEMS
Caracterizar experimentalmente un
MEMS comercial.
Estos resultados de aprendizaje se han evaluado de
maneras diferentes, abarcando desde la realización
de cuestionarios específicos diseñados para tal fin,
con una distribución temporal acorde al grado de
consecución de competencias y que ha permitido
tener la realimentación adecuada del proceso de
aprendizaje, hasta la exposición oral del trabajo
final.
Además, los estudiantes desarrollan competencias
genéricas asociadas con el laboratorio de
electrónica tales como la comprensión de las hojas
de especificaciones de los componentes y los
manuales de la instrumentación a utilizar, el
montaje de sistemas de test, o la realización de
análisis de errores.
El e-portfolio se debe dirigir a enfatizar una serie
de actividades programadas:
Actividad 1: Realización de cuestionarios
de autoevaluación en distintas etapas del
proyecto.
Actividad 2: Adaptación de applets de
Matlab para mostrar las etapas del
proceso de fabricación de MEMS y crear
animaciones que muestren su principio de
operación.
Actividad 3: Creación de un poster sobre
los MEMS bajo estudio, describiendo su
principio de operación, proceso de
fabricación y aplicaciones.
Actividad 4: Realización del diseño de un
sistema de adquisición de datos para la
caracterización experimental del MEMS
bajo estudio.
Actividad 5: Realización del informe
final.
La información obtenida acerca del proceso de
aprendizaje de los estudiantes se lleva cabo
complementando, con una serie de preguntas
específicas, una encuesta realizada por la
Universidad de Zaragoza al final de curso. Entre
las diversas cuestiones de carácter general acerca
del desarrollo del curso, el impacto de la actividad
propuesta se evalúa mediante seis aserciones (Q1 –
Q6 en la Fig. 10) de las que los estudiantes deben
indicar su nivel de acuerdo. Los resultados se
recogen en la Fig. 10.
Debido a que esta actividad se ha desarrollado en
el primer año de impartición del curso, no existe
un histórico de las calificaciones obtenidas por los
estudiantes que permita construir un gráfico de su
evolución; por lo tanto, es difícil evaluar de
manera cuantitativa el beneficio obtenido al aplicar
la estrategia de aprendizaje propuesta en este
trabajo. Sin embargo, se ha realizado una
comparativa entre los resultados obtenidos en esta
asignatura y en cuestionarios similares llevados a
cabo en otras asignaturas en la temática de la
Electrónica Física, mostrando mejores resultados
que en los cursos en los que los tópicos se han
Fig. 10. Resultados del bloque relativo al curso de la encuesta llevada a cabo por la Universidad de Zaragoza entre los
estudiantes para evaluar el impacto de la actividad propuesta.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
88 CECILIA GIMENO, CARLOS S. AZQUETA, SANTIAGO CELMA Y CONCEPCIÓN ALDEA
tratado con un método descriptivo analítico
convencional.
Los resultados académicos obtenidos por los
estudiantes en este curso se muestran en la Fig.
11,con un 90 % de los estudiantes que han logrado
un resultado satisfactorio, y con un 50 % de ellos
que han obtenido calificación de sobresaliente. En
particular, se ha observado que las competencias
más relacionadas con esta actividad han sido
desarrolladas en alto grado por los estudiantes, que
logran un 95 % de consecución en ellas.
V. CONCLUSIONES
Este artículo presenta una estrategia de enseñanza-
aprendizaje que recrea el proceso de diseño y
caracterización de un sistema micro-
electromecánico comercial (MEMS) que sería
llevado a cabo en un entorno profesional.
La implementación de esta estrategia de
enseñanza-aprendizaje consigue una mejora
significativa en los resultados de aprendizaje. En
particular, se consigue una mejor comprensión de
los fenómenos físicos detrás de la operación de los
MEMS mediante una descripción visual que
complementa el enfoque analítico convencional;
además, la adaptación de applets que simulan la
fabricación de MEMS permite a los estudiantes
adquirir una comprensión más profunda de este
proceso. El uso de herramientas específicas de
diseño y simulación permite el desarrollo de
competencias y habilidades relacionadas con la
simulación de MEMS así como de adquisición y
procesado de datos, cuya integración en la lección
magistral tradicional resulta menos natural.
También permite un acercamiento al método
científico (comprensión inicial de la teoría, diseño
del MEMS y caracterización experimental) y
aplicar conocimientos teóricos de cursos
anteriores, llevando a cabo la interrelación entre
asignaturas. Todo ello aplicando conocimientos
teóricos a sistemas de uso cotidiano.
A pesar de que la actividad se particulariza para
estudiantes matriculados en la asignatura Micro y
Nano Sistemas del Grado en Física de la
Universidad de Zaragoza, este enfoque innovador
permite a estudiantes de cualquier disciplina
científico-técnica familiarizarse con los recursos
utilizados para el diseño y caracterización de
MEMS y ganar una valiosa experiencia en un área
multidisciplinar entre la Ingeniería y la Ciencia.
REFERENCIAS
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Bologna Process –shared goals, shared
commitments. Supporting growth and jobs - An
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education systems. Brussels: Publications Office of
the European Union, 2011.
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overview,” Communications Magazine, IEEE, vol.
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38, no. 7, pp. 56–61, 2001.
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[10] A. Collins, “Portfolios for science education: Issues
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Education, vol. 76, no. 4, pp. 451–463, 1992.
[11] M. Bereton, The role of hardware in learning
engineering fundamentals: An empirical study of
engineering design and product analysis
activity.PhD thesis, Mechanical Engineering
Department, Stanford University, 1998.
Fig. 11. Resultados académicos obtenidos por los estudiantes
en este curso, donde AP, NT, SB y MH corresponden con
aprobado, notable, sobresaliente y matrícula de honor.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
MEMS: DEL AULA A LA WII 89
[12] http://titulaciones.unizar.es/fisica/index.html
[13] http://www.unizar.es/sg/doc/10.1Directrices
000.pdf.
[14] D. A. Kolb, Experiential learning: Experience as
the source of learning and development. New York
Prentice-Hall, 1984.
[15] R. Vince, “Behind and beyond Kolbs learning
cycle,” Journal of Management Education, vol. 22,
no. 3, pp. 304 – 319, 1998.
[16] J. N. Harb, S. O. Durrant, and R. E. Terry, “Use of
the Kolb learning cycle and the 4MAT system in
engineering education,” Journal of Engineering
Education, vol. 82, no. 2, pp. 70–77, 1993.
[17] A. Konak, T. K. Clark, and M. Nasereddin, “Using
Kolb‟s experiential learning cycle to improve
student learning in virtual computer laboratories,”
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2014.
[18] J. Adams, B. Rogers, and L. Leifer,
“Microtechnology, nanotechnology, and the
scanning-probe microscope: an innovative course,”
Education, IEEE Transactions on, vol. 47, no. 1,
pp. 51–56, 2004.
[19] ] http://www.csc.fi/english/pages/elmer.
[20] ] http://www.salome-platform.org/..
[21] http://www.cadence.com/us/pages/default.aspx.
[22] Analog Devices, Inc., ADXL335 Data Sheet, Rev.
B ed., January 2010.
[23] Analog Devices, Inc., ADXL330 Data Sheet, Rev.
A ed., September 2006.
[24] R. Grundbacher, J. Hoetzel, and C. Hierold,
“MEMSlab: A practical MEMS course for the
fabrication, packaging, and testing of a singleaxis
accelerometer,” Education, IEEE Transactions on,
vol. 52, no. 1, pp. 82–91, 2009.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se ha subvencionado parcialmente por
la Universidad de Zaragoza bajo el Proyecto de
Innovación Docente PIIDUZ 12 1 142.
Cecilia Gimeno nació en Zaragoza,
España. Obtuvo la Licenciatura en Física, el Máster en Física y
Tecnologías Físicas y el Doctorado en Física por la Universidad de Zaragoza,
Zaragoza, España, en 2009, 2010 y
2014 respectivamente. Actualmente es miembro del Grupo de
Diseño Electrónico, del Instituto de
Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza y
está trabajando en el área de ecualizadores para aplicaciones
por fibra óptica de plástico. Sus intereses en investigación incluyen el diseño de circuitos microlectrónicos analógico-
digital, alta frecuencia, procesamiento de señal, receptores
ópticos CMOS integrados y comunicaciones por fibra óptica.
Carlos Sánchez-Azqueta nació en
Zaragoza, España. Obtuvo la
Licenciatura en Física, el Máster en Física y Tecnologías Físicas, y el
Doctorado en Física por la Universidad
de Zaragoza, Zaragoza, España, en 2006, 2010 y 2012 respectivamente, así
como la Ingeniería en Electrónica por la
Universidad Complutense de Madrid, Madrid, España en 2009.
Actualmente es miembro del Grupo de Diseño Electrónico, del
Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza. Sus intereses en investigación
incluyen el diseño de circuitos integrados de señal mixta,
circuitos para comunicaciones analógicas de alta frecuencia, lazos enganchados en fase y circuitos recuperadores de datos y
reloj.
Santiago Celma nació en Zaragoza, España. Obtuvo la Licenciatura, el
Máster y el Doctorado por la
Universidad de Zaragoza, Zaragoza, España, en 1987, 1989 y 1993
respectivamente, todo en Física.
Actualmente es Catedrático en el Grupo de Diseño Electrónico, del
Instituto de Investigación en Ingeniería
de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza. Ha co-autorizado más de 90
artículos en revistas y 270 contribuciones a conferencias
internacionales. Es coautor de 4 libros y tiene 4 patentes. Aparece como investigador principal en más de 25 proyectos
nacionales e internacionales. Sus intereses en investigación
incluyen la teoría de circuitos, circuitos integrados de señal mixta, circuitos para comunicaciones de alta frecuencia y las
redes inalámbricas de sensores.
Concepción Aldea nació en Zaragoza, España. Obtuvo la Licenciatura en
Física y el Doctorado en Física por la
Universidad de Zaragoza, Zaragoza, España, en 1990 y 2002
respectivamente.
Trabajó en la industria privada en el
área de investigación en fibras ópticas.
Actualmente es profesor Titular de
Electrónica en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza y es miembro del Grupo de
Diseño Electrónico, del Instituto de Investigación en Ingeniería
de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza. Ha co-autorizado un libro, más de 20 artículos técnicos en revistas así
como 70 contribuciones a conferencias internacionales.
Aparece como investigadora en más de 30 proyectos de investigación nacionales e internacionales. Sus intereses de
investigación incluyen el diseño de circuitos integrados de señal
mixta, ecualizadores en tiempo continuo y circuitos para comunicaciones ópticas de alta frecuencia.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
90 CECILIA GIMENO, CARLOS S. AZQUETA, SANTIAGO CELMA Y CONCEPCIÓN ALDEA
Capítulo 9
Desarrollo de un entorno personal de aprendizaje
basado en un laboratorio remoto para el estudio de
instrumentación electrónica.
G. Jiménez-Castillo, C. Rus-Casas, F. J. Muñoz-Rodríguez,J. I. Fernández- Carrasco
Departamento de Ingeniería en Electrónica y Automática
Escuela Politécnica Superior de Jaén
Title– (Development of personal learning
environment based on remote laboratory for
the study of electronic instrumentation)
Abstract– In this paper the study, design,
development and implementation of an app
which manages to control through Internet a
basic electronics lab bench is presented. The
app is part of the design of a Personal Learning
Environment based on a remote laboratory
which promotes active learning in Electronics.
The app allows the remote control of the main
instruments that made up an Electronics bench:
a power supply, a multimeter, a function
generator and an oscilloscope.
Keyworks– Personal Learning Environment,
PLE, Easy Java Simualtion (EJS), LabVIEW,
Electronic Instrumentation, remote laboratory;
Resumen– En este trabajo se presenta el
estudio, diseño, desarrollo e implementación de
una aplicación web que permite la
comunicación remota a través de Internet con
los equipos que constituyen un puesto básico de
Instrumentación Electrónica. Esta aplicación
forma parte del diseño de un entono personal
de aprendizaje basado en un laboratorio remoto
que fomenta el aprendizaje activo de la
asignatura instrumentación electrónica por el
estudiante. La aplicación permite el control
remoto de las funciones básicas de los cuatro
instrumentos de los que consta un puesto básico
del laboratorio: fuente de alimentación,
multímetro, generador de ondas y osciloscopio.
Palabras clave– Entorno Personal de
Aprendizaje (PLE), Easy Java Simulation
(EJS), Labview, instrumentación
electrónica,laboratorio remoto;
I. INTRODUCCIÓN
Cada día son más las herramientas que se
desarrollan para potenciar y contribuir al proceso
de enseñanza y aprendizaje que realiza el
estudiante a través de la red. Esta tendencia de
enseñanza, cada vez más abierta, flexible e
interactiva y basada en el uso de las tecnologías de
la información y comunicación, va en
aumentoprogresivamente.
En este contexto han ido evolucionando distintas
prácticas docentes enmarcadas en lo que se conoce
como e-learning [1, 2]. Este último favorece que el
estudiante gestione su proceso de enseñanza y
aprendizaje. El e-learning es una enseñanza
abierta, flexible e interactiva basada en el uso de
las nuevas tecnologías de la información y
comunicación aprovechando todos los medios que
ofrece la red de Internet [3]. De esta manera surgió
el e-learning,que une aspectos pedagógicos y
tecnológicos.
Actualmente, en las universidades españolas se
apuesta más por la práctica de un aprendizaje
mixto, definido por el término b-learning (blended
91
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
learning) [3, 4]. Este último hace referencia al uso
de recursos tecnológicos tanto presenciales como
no presenciales para optimizar el resultado de la
formación.. Es decir, la combinación de clases
magistrales y de plataformas docentes que facilitan
la docencia virtual en determinadas actividades.
Los docentes frecuentemente nos enfrentamos a
continuos procesos de cambio. Entre estos cambios
se incorporan tecnologías, herramientas y servicios
que abren las posibilidades de comunicación y
aprendizaje que nos permiten acceder a la
información y a la formación (conocimiento) de
una forma personalizada. Por tanto, supone un reto
decidir en cada ámbito cuáles son nuestros
entornos personales de aprendizaje, también
llamados PLE(PLE, por sus siglas en inglés de
Personal Learning Environment), para adaptarlos a
los estudiantes a los que van dirigidos los recursos
que elaboramos con éste fin.
Los Entornos Personales de Aprendizaje pueden
ser interpretados de distintas formas dependiendo
del ámbito de aplicación.Algunos autores [5] los
definen como sistemas que ayudan a los
estudiantes a tomar el control y gestión de su
propio aprendizaje. Esto incluye el apoyo que los
docentes realizan a los estudiantes proporcionando
herramientas con las que él gestione aspectos del
aprendizaje como: fijar sus propios objetivos de
aprendizaje en cada materia, elaborar los
contenidos y comprender los procesos que
intervienen, incluso comunicarse con otros
estudiantes en el proceso de aprendizaje, para
lograr así las metas propuestas en cada materia a la
que el estudiante se enfrenta. En este trabajo el
entorno personal de aprendizaje del estudiante de
ingeniería estará formado por distintas
herramientas, como es la aplicación web, que aquí
se describe, y otras herramientas que faciliten el
uso y comprensión del puesto básico de un
laboratorio de Electrónica.
El Espacio Europeo de Educación Superior
promueve el uso de metodologías educativas y
técnicas activas en los Estudios de Grado [6]. Así
mismo, en el diseño de los títulos se plantea que se
potencie el uso de herramientas para la adquisición
de las habilidades y competencias asociadas a cada
titulación, como el uso de entornos adaptados a los
distintos perfiles de estudiantes en los que se
favorece y fomenta el aprendizaje. En este sentido,
serán muy importantes las iniciativas en las que el
profesorado ofrezca un entorno personal de
aprendizaje en el que el estudiante pueda
desarrollar las competencias de acuerdo con sus
necesidades, sus habilidades y conocimientos
previos.
La experiencia que aporta la realización de
prácticas de laboratorio es esencial en la enseñanza
en ingeniería, puesto que engarza los contenidos
teóricos y prácticos, al mismo tiempo que fomenta
el aprendizaje activo. Para los estudiantes de
Ingeniería Industrial en su especialidad de
Electrónica Industrial las prácticas de
instrumentación electrónica en los laboratorios han
demostrado una contribución muy positiva para la
adquisición de competencias. Si a la
experimentación en laboratorio se combinan el uso
de las TICs nacen distintas formas de laboratorios
distintos a los tradicionales: virtuales y remotos.
Existen varias experiencias en la implementación
de laboratorios virtuales y remotos en algunos
centros de ingeniería [7, 14]. En estas experiencias
se constata que el uso de dichas herramientas
desarrolla habilidades en los estudiantes para
„definir‟ su propio estilo de aprendizaje. Además,
los laboratorios permiten consolidar los conceptos
expuestos en teoría, puesto que los estudiantes
entran en contacto con diferentes problemas de
ingeniería reales.
La aplicación que aquí se presenta permite la
implementación de un laboratorio remoto de
instrumentación electrónica mediante el control en
un entorno web del puesto básico de un laboratorio
de electrónica. El objetivo último es fomentar un
aprendizaje activo por parte del estudiante en las
asignaturas ligadas a la instrumentación
electrónica del Grado de Ingeniería Electrónica
Industrial en las que se va a utilizar, para que
forme parte de su entorno personal de aprendizaje
en estas asignaturas.
El trabajo se ha estructurado de la siguiente forma:
en primer lugar se plantea el escenario académico
dentro de la titulación, y la evolución de
metodología para impartir los créditos prácticos en
ingeniería, seguidamente se exponen los objetivos
que se persiguen con la realización de la aplicación
web desarrollada para continuar con la
metodología seguida para abordar estos objetivos,
posteriormente se hará una descripción con detalle
de la aplicación diseñada y por último se enumeran
las conclusiones obtenidas en la implementación
92 G. JIMÉNEZ CASTILLO, C. RUS CASAS, F.J. MUÑOZ RODRÍGUEZ Y J.I. FDEZ. CARRASCO
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
de la aplicación para utilizar de manera remota el
puesto del laboratorio.
II. ESCENARIOS DE APRENDIZAJE.
En esta sección se comenzará con una descripción
de las características de la titulación en la que se
pretende hacer uso de la aplicación web, a fin de
mostrar algunos aspectos tenidos en cuenta en su
diseño. A continuación, se realizará una
descripción de la organización que ofrecen las
guías docentes de las asignaturas para planificar
tanto los contenidos teóricos como prácticos
(figura 1).
Fig. 1 Herramientas que se pueden adoptar para la formación
de una asignatura en el título de Grado en Ingeniería
Electrónica Industrial.
Se prestará especial atención, como se muestra en
la figura 1, en las distintas opciones para realizar
las prácticas que actualmente se ofrecen a los
estudiantes que cursan el Grado en Ingeniería
Electrónica Industrial: laboratorios tradicionales,
laboratorios virtuales y laboratorios remotos.
A. Escenario académico de la Universidad de
Jaén en la titulación Grado en Ingeniería
Electrónica Industrial.
La Universidad de Jaén, propone el título de Grado en Ingeniería Electrónica Industrial con 240 créditos estructurados en cuatro cursos de 60 créditos cada uno. Cada curso tiene una carga lectiva de 30 créditos cuatrimestrales.
A esta estructura de créditos definida en el marco del Espacio Europeo de Educación Superior, se le ha aplicado un cambio metodológico en el diseño de las guías docentes de cada una de las asignaturas que la integran, con respecto de la
enseñanza tradicional. Los profesores buscan la motivación del estudiante diseñando una manera de aprender diferente, en la cual se pueda acceder a la información y se tengan los criterios para valorarla, sabiendo que es de calidad [15].
En la figura 2, se recoge de manera esquemática la estructura por curso de la naturaleza de los créditos asociados a cada curso.
Fig. 2 Estructura que la Universidad de Jaén propone para el
título de Grado en Ingeniería Electrónica Industrial.
Además, en la figura 2 se muestran tres asignaturas (Fundamentos de electrónica, Instrumentación electrónica y Sistemas de adquisición de datos), en las que se utilizará la Aplicación web que implementa un laboratorio remoto en el puesto básico de instrumentación electrónica.
La Universidad de Jaén, propone para estas tres asignaturas unos aspectos comunes, en cuanto a competencias y resultados del aprendizaje recogidos en la tabla 1.
TABLA I
COMPETENCIAS Y RESULTADOS DEL APRENDIZAJE COMUNES A
LAS ASIGNATURAS DEL GRADO.
COMPETENCIAS
Capacidad para aplicar nuevas tecnologías incluidas las
tecnologías de la información y la comunicación
RESULTADOS DE APRENDIZAJE
Saber manejar todos los instrumentos de un puesto
básico de laboratorio electrónico (osciloscopio,
generador de funciones, multímetro y fuente de
alimentación)
En estas asignaturas, los estudiantesdeben haber adquirido competencias asociadas al análisis del comportamiento teórico de diversos dispositivos electrónicos, pero será fundamental que dominen el uso del puesto básico del laboratorio de instrumentación electrónica. En caso de no ser así el estudiante será incapaz de verificar el comportamiento real de los componentes. En este caso la aplicación web, que se presenta en esta comunicación, permite acceder al puesto del laboratorio de manera remota con la posibilidad de desarrollar habilidades en los estudiantes
DESARROLLO DE UN ENTORNO PERSONAL DE APRENDIZAJE BASADO EN UN ... 93
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
quefomentan un estilo de aprendizaje activo y forme parte de su PLE.
B. Desarrolllo de un entorno personal de
aprendizaje. Evolución de los laboratorios de
instrumentación electrónica.
Como ya se ha comentado, las prácticas de laboratorio son una clave para la formación en el periodo universitario del ingeniero en electrónica industrial. En ese sentido, los laboratorios son considerados por los docentes como elementos fundamentales para la enseñanza. De forma resumida, se puede decir que las prácticas de laboratorio contribuyen a mejorar la adquisición de los conceptos teóricos, a familiarizarse con la utilización de instrumentos tecnológicos y a desarrollar las competencias necesarias para la futura actividad profesional. Así, el estudiante debe adquirir competencias específicas de las características, funcionalidades y estructuras de cada una de las materias incluidas en su titulación. En cambio, el uso y manejo de los instrumentos que forman el puesto básico del laboratorio, es algo que el profesor asume en la planificación docente como una competencia básica en algunos casos y ya adquirida en otros.
Hoy en día, en el ámbito universitario y como ya se ha mencionado, es una realidad el aprendizaje utilizando las TIC. En el caso concreto de la docencia de prácticas, según qué herramientas se utilicen, se suele realizar la siguiente clasificación de los laboratorios: tradicionales, virtuales y remotos.
En el caso de los laboratorios tradicionales, el estudiante aprende a poner en práctica sus conocimientos conectando con las situaciones reales. La principal ventaja de realizar prácticas en este entorno es su interactividad, al tomar contacto el estudiante con el montaje real. El estudiante incrementa su motivación en la materia al observar el comportamiento de los dispositivos sometidos a estudio. Aunque presenta la limitación de la cantidad de personas que pueden acceder al laboratorio (figura 3), ya que las prácticas necesitan de una supervisión directa por parte del profesor.
En cambio, otros aspectos desde el punto de vista didáctico no son tan positivos, como la evaluación de la parte práctica de una asignatura que utiliza sólo el laboratorio tradicional. Esta evaluación debe basarse fundamentalmente en un control continuado, por parte del profesorado, que sirva tanto para enseñar al estudiante, como para poder constatar el grado de aprendizaje y asimilación de los conceptos por parte del mismo. En ocasiones, el empleo de las TIC, en este laboratorio pasa por la realización de un test en la plataforma docente de la universidad. Estos test permiten al
estudianteautoevaluarse antes y/o después de enfrentarse a una práctica.
Fig. 3 Fotografía del puesto básico del laboratorio de
instrumentación electrónica en la Universidad de Jaén.
En los laboratorios virtuales se usan aplicaciones o programas para la simulación del comportamiento del circuito electrónico sin necesidad de estar presente físicamente en el laboratorio. En unos casos son programas en los que se visualizan instrumentos o muestran el comportamiento de los componentes electrónicos bajo estudio. El uso de estos programas, en algunos casos debe ir acompañado de materiales didácticos que muestran al estudiante la forma de abordar el entorno que los rodea [16]. Estos programas hacen que el estudiante compruebe con imágenes o animaciones de manera sencilla cada uno de los objetivos planteados en la asignatura. El resultado de los laboratorios virtuales pueden ser en unos casos aplicaciones informáticas que se ejecuta en un ordenador, de manera local u online. En otros casos, son programas comerciales de simulación electrónica, figura 4, en los que el estudiante puede insertar los componentes electrónicos que forman el circuito que desea estudiar y posteriormente colocar unos terminales que le permitan comprobar los valores de algunas magnitudes como la tensión, la intensidad. Por tanto, el laboratorio virtual es una herramienta de autoaprendizaje donde el estudiante altera las variables de entrada, puede configurar y personalizar nuevos experimentos.
Fig. 4 Ejemplo de laboratorio virtual con el programa Orcad Pspice.
94 G. JIMÉNEZ CASTILLO, C. RUS CASAS, F.J. MUÑOZ RODRÍGUEZ Y J.I. FDEZ. CARRASCO
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
El laboratorio virtual fomenta el trabajo personal del estudiante. Además, permite que el estudiante tenga un horario de prácticas flexible. El uso del laboratorio virtual en la docencia de los Grados de Ingeniería es un complemento eficaz de lasmetodologías convencionales, pero no pueden sustituir la experiencia práctica del laboratorio tradicional, ya que, entre otras razones, el comportamiento de los dispositivos que se somete a ensayos es prácticamente ideal.
En loslaboratorios remotosel estudiante utiliza para la realización de las prácticas un sistema deinstrumentación real de laboratorio, pero accede a él de manera remota. El estudiante manipula los recursos disponibles en el laboratorio, a través de una red local o bien a través de Internet que le dará paso a la práctica.Para la realización de las prácticas de manera remota se deben tener en cuenta los elementos que se muestran en la figura 5. El estudiante debe tener una formación previa en los contenidos de la práctica mucho más sólida que en el caso del laboratorio tradicional ya que no dispone del profesor-instructor para que le solucione las dudas que le puedan surgir en el transcurso de la misma. Es importante en el caso de los laboratorios remotos que cada práctica tenga un guión claro para que el estudiante realice una actividad ordenada y progresiva, que le conduzca a alcanzar objetivos concretos planteados.
Fig. 5 Estructura básica de un laboratorio remoto.
Con estas premisas, son cada vez más las universidades que apuestan por la implantación de los laboratorios remotos en todas o en parte de las prácticas de laboratorio propuestas, ya que se permiten compartir recursos e infraestructuras, al mismo tiempo que aumenta la flexibilidad horaria [7-14].
III. OBJETIVO Y METODOLOGÍA
En este trabajo, las materias en las que se propone hacer uso del laboratorio remoto son las recogidas en la figura 2, todas ellas relacionadas con la
instrumentación electrónica de forma que los estudiantes de estas asignaturas podrán experimentar con el uso del puesto básico del laboratorio de manera remota.
Fig. 6 Arquitectura de la aplicación web que gestiona el
laboratorio remoto de instrumentación electrónica.
El trabajo tiene como objetivo el estudio, diseño, desarrollo e implementación de una aplicación web que permita la comunicación con los equipos que constituyen el puesto básico del Laboratorio de una manera remota a través de internet. Con ella se pretende controlar las funciones básicas de los cuatro instrumentos que consta un puesto básico del laboratorio de electrónica: Fuente de alimentación, Multímetro, Generador de Ondas y Osciloscopio.
Para poder abordar este objetivo, la metodología que se ha utilizado es la siguiente:
Estudiar la funcionalidad del puesto básico del laboratorio de instrumentación electrónica
Estudiar los protocolos de comunicación usados en el intercambio de información entre los diferentes equipos que constituyen el puesto básico, esquematizado en la figura 6.
Fig. 7 Software con el que se ha desarrollado la aplicación web
que gestiona el laboratorio remoto que controla los instrumentos del laboratorio.
Definir prácticas que se puedan realizar de manera remota y que permitan realizar
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experimentos relacionados con las asignaturas del área de instrumentación electrónica elegidas.
Elaborar unos guiones adecuados para facilitar al estudiante la realización de manera remota las diferentes prácticas que debe abordar.
Realizar una revisión sobre los distintos laboratorios remotos existentes, analizando sus diferentes configuraciones y soluciones adoptadas.
Estudiar y configurar de manera adecuada la conexión entre un servidor web y un ordenador local (denominado en el presente trabajo microservidor) encargado del control de los instrumentos del puesto básico (figura 6). En la figura 7 se muestran todos los programas que se han tenido en cuenta en el desarrollo de la aplicación final
IV. DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN
Y EJEMPLO DE UTILIZACIÓN
El Laboratorio de instrumentación electrónica dispone de equipos que ofrecen una variedad de funciones que los hacen muy versátiles y de gran utilidad. Hasta el momento se habían realizado algunas experiencias docentes que usaban instrumentos virtuales y permitían el manejo del puesto del laboratorio desde el ordenador local [18y 19]. Con estas aplicaciones es necesario que el usuario esté presente y los maneje desde el
laboratorio físico. Para dar una mayor utilidad a sus posibilidades, se manifiesta la necesidad que estos equipos puedan ser controlados de manera remota a través de un entorno web.
Para describir el software que permite la implementación del laboratorio remoto, se utilizará el esquema mostrado en la figura 7.A la derecha de la figura 7 se encuentran las dos aplicaciones locales (alojadas en el ordenador del puesto del laboratorio (microservidor).
La primera aplicación ha sido desarrollada para la comunicación entre los instrumentos del puesto del laboratorio de electrónica y el ordenador asignado a cada puesto básico. Se ha realizado con el software comercial LabVIEW, figura 8.
Este software proporciona los drivers de cada uno de los instrumentos del laboratorio, con lo que la tarea de implementar el protocolo de comunicación es sencilla. Estos drivers son instrumentos
virtuales preprogramados con los que a través de comandos SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments)se permite programar y configurar de manera rápida y eficiente los instrumentos programables.
Siguiendo con la misma filosofía en todo el trabajo, la parte desarrollada con LabVIEW está realizada de manera jerárquica y modular. Por ello, se han establecido dos niveles diferenciados. El propósito perseguido es facilitar la programación
Fig. 8 Apariencia de los instrumentos virtuales desarrollados en labVIEW para el control de los instrumentos del laboratorio.
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de la aplicación en la etapa de diseño así como la depuración de errores en el periodo de pruebas.
El primer nivel consiste en un VI denominado “principal” que gestiona el control de todos los instrumentos del puesto básico del laboratorio (Multímetro, Generador de funciones, Fuente de alimentación y Osciloscopio). Este se encuentra divido en cuatro zonas que se corresponden con cada uno de los equipos del laboratorio que controla (figura 8)
El segundo nivel consta de diferentes subVIs para cada uno de los instrumentos. Como se ha comentado anteriormente, se realiza para facilitar la programación y dividir el programa. Aunque
son subVIs diferentes, se ha optado en todos ellos seguir las mismas pautas de programación, siendo marcadas por las directrices del manejo de los instrumentos físicos en el laboratorio tradicional.
En la figura 9, se muestra el esquema del subVI para el desarrollado del control remoto de la fuente de alimentación. De manera similar a como se haría en un laboratorio tradicional, en primer lugar se dispone de la información de los parámetros de entrada a controlar:activación de la fuente, valor del límite de corriente, tensión de trabajocaracterísticas/especificaciones del instrumento que se está utilizando. Además se incluye un filtro para no permitir el uso de valores fuera de las especificaciones propias de la fuente utilizada.
En el caso de sobrepasar los límites, se ajustaran al más cercano posible. Una vez analizadas las variables, se pasaría a la tercera parte, en la que se envía información al equipo programable, en el caso de la fuente sería la configuración de salida de tensión y de corriente, con la que se desea alimentar al circuito electrónico que estemos ensayando.Por último, se realiza una consulta al
instrumento de los valores actuales que hay configurados, siendo esta información las variables de salida de los subVIs, con ello se puede comprobar que el instrumento se ha configurado de acuerdo a lo indicado.
Además, este VI sirve de enlace con el módulo JIL Server, es decir, es el VI que se conecta con el interoperador (JIL Server) y realiza el intercambio de las variables. Las variables de interoperación pueden ser de entrada (variables de control del VI) o de salida (variables indicadores del VI).
La aplicación está desarrollada para optimizar la comunicación con JIL Sever. Para ello, se han generado una serie de variables lógicas que informan del estado del proceso, como puede ser la finalización de la medida en el caso del osciloscopio y/o multímetro, o de la activación de la señal, para el caso de la fuente de alimentación y/o generador.
Una aplicación que muestra el interfaz gráfico de usuario que se ha desarrollado con Easy Java Simulations (EJS permite diseñar simulaciones interactivas en Java de manera rápida e intuitiva sin necesidad de tener conocimientos avanzados en programación. Es un software libre, concebido para el desarrollo de aplicaciones docentes y persigue el aprendizaje colaborativo entre centros [13, 17].
Esta segunda aplicación tiene una apariencia sobria e intenta reproducir lo mejor posible el funcionamiento de los instrumentos. Como se aprecia en la figura 7, cada uno de ellos sigue la lógica de funcionamiento del instrumento real, siendo accesibles las opciones que se deban usar para su uso.
Todos los instrumentos tienen diferentes „niveles de acceso‟: el interfaz de usuario, en este nivel se pueden habilitar los instrumentos, seleccionar las
Fig. 9 Control remoto de la fuente de alimentación a través de LabVIEW.
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funciones, las comprobaciones de viabilidad de la selección realizada y por último el nivel de la lógica de comunicación entre la aplicación en EJS y la aplicación en LabVIEW.
La comunicación entre las dos aplicaciones anteriormente mencionadas, la aplicación desarrollada en LabVIEW y el interfaz gráfico de usuario,se consigue con el servidor JiL Sever, que se ha desarrollado por medio de EJS, JIL Server es una aplicación en desarrollo [13], pero de distribución gratuita. Este módulo de comunicación genérico implementa la capa de comunicación necesaria para publicar los datos del instrumento virtual (VI) de LabVIEW, de forma que JIL server publica las variables de los instrumentos virtuales desarrollados en LabVIEW en Internet.
Posteriormente, los estudiantespueden controlar y acceder a las variables publicadas mediante lasegunda aplicación
A continuación, se va a explicar la parte central de la figura 7 donde se encuentra el servidor principal, que se encarga de alojar la web del sistema, así como su gestión. En el servidor se mostrará la información más relevante al estudiante acerca del laboratorio remoto, información sobre sobre su uso y enlaces de interés. Su finalidad es informar e introducir al estudiante en el contexto de la experimentación remota antes de trabajar con los instrumentos ubicados en el laboratorio tradicional.
Fig. 100 Secuencia de trabajo para obtener las señales del rectificador de media onda.
El servidor también permite el control de acceso para la manipulación de los instrumentos
electrónicos. Para ésta funcionalidad, se ha definido la base de datos de los usuarios y las direcciones asignadas a los ordenadores que controlan los instrumentos del laboratorio. En función del rol asignado al usuario, este tendrá acceso a una determinada información y privilegios:
Rol estudiante: se dispondrá de la información necesaria para la correcta realización de las prácticas que se van a desarrollar, así como acceso a los applets desarrollados de los instrumentos.
Rol profesor: control de prácticas activas y contenidos.
Para finalizar esta sección se muestra un ejemplo de utilización de la aplicación, mediante la realización de una práctica de manera remota. El circuito propuesto es un circuito básico, planteado en las prácticas de la asignatura fundamentos de electrónica: un rectificador de media onda (figura 10).
El estudiante en esta práctica trabaja con el generador de funciones y el osciloscopio de manera remota. Una vez activados y configurados los parámetros de ambos instrumentos el estudiante comprueba que en el canal 1 del osciloscopio obtiene la señal a la entrada del ánodo del diodo y la señal de salida del cátodo del diodo en el canal 2.
V. CONCLUSIONES Y LÍNEAS
FUTURAS DE TRABAJO.
Los laboratorios remotos constituyen una herramienta útil en la docencia del Grado de Ingeniería Electrónica Industrial. Permiten al estudiante, no sólo disfrutar de las ventajas de un laboratorio tradicional, sino que además fomentan el autoaprendizaje para lo que le ofrece un horario mucho más flexible, con lo que forma parte del entorno personal de aprendizaje.
En ese sentido, se ha presentado una herramienta que permite el manejo de manera remota de los equipos del laboratorio de instrumentación electrónica. En las asignaturas que hagan uso del mencionado laboratorio se podrá desarrollar una metodología de aprendizaje mixta o b-learning, en la que se combina la formación presencial con la formación online.
Destacar que la app está terminada pero actualmente se encuentra en fase de depuración. Se les ha entregado a los alumnos de Instrumentación electrónica, asignatura troncal del Grado de Ingeniería electrónica especialidad electrónica Industrial para que la prueben y la evalúen. De los resultados obtenidos en las pruebas de evaluaciónde la herramienta conestudiantes se puede afirmar que es una herramienta que ellos
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valoran positivamente para el aprendizaje de la instrumentación electrónica.
Como trabajo futuro se plantea incorporar el uso de la herramienta en otras asignaturas así como completar el entorno personal de aprendizaje del estudiante con simulaciones desarrolladas en Easy Java Simulation del comportamiento de los circuitos bajo estudio antes de utilizar el laboratorio remoto, lo que permitirá aún más afianzar los contenidos estudiados en las diferentes asignaturas en las que se usen dichas herramientas.
REFERENCIAS
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[19] M. Torres, C. Rus, J.V Muñoz., F.J. Muñoz. Desarrollo de un instrumento virtual con fines docentes para la asignatura Sistemas de Adquisición de Datos.. X Congreso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica, TAEE 2012. http://remo.det.uvigo.es/TAEE/images/Actas/docs/0120-vf-000037.pdf
DESARROLLO DE UN ENTORNO PERSONAL DE APRENDIZAJE BASADO EN UN ... 99
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Gabino Jiménez Castillo.
Obtuvo la doble titulación de
Ingeniería Técnica Industrial
especialidad Electricidad y
Electrónica Industrial, en la
Universidad de Jaén. Al finalizar
dichos estudios, su esfuerzo fue
reconocido obteniendo el mejor
expediente de su promoción.
Posteriormente cursó también en
la Universidad de Jaén la titulación de Ingeniero Industrial.
Continuó su formación en la Universidad Internacional de
Andalucía, en la que obtuvo el título del máster en Tecnología
de los Sistemas de Energía Solar Fotovoltaica, titulación en la
que se encuentran implicadas varias universidades como la
Málaga y la de Jaén. Su perfil y expediente le hizo adjudicatario
de una beca de carácter competitivo en el departamento de
Electrónica y Automática de la Universidad de Jaén durante el
curso académico 2011/2012.
Esta beca, concedida por el Ministerio de educación, le inicia
en tareas docentes y de iniciación a la investigación. Desde
principios del 2013 trabaja como Ingeniero Electrónico en el
desarrollo e investigación en ámbito de la automoción. A
principios del 2015 con la realización de varias publicaciones
en congresos de reconocido prestigio se matricula en el
programa de doctorado en Energías Renovables de la
Universidad de Jaén.
Francisco José Muñoz Rodríguez.
Doctor por la Universidad de Jaén e
Ingeniero en Electrónica por la
Universidad de Granada. Es profesor
titular del área de Tecnología
Electrónica del Departamento de
Ingeniería Electrónica y Automática
de la Universidad de Jaén, en la que
imparte clases desde 1999.
La mayor parte de su actividad
investigadora se ha centrado en la monitorización y análisis de
funcionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos. Así
mismo, ha dirigido y participado en numerosos proyectos de
innovación docente relacionados con la enseñanza de la
electrónica y de los sistemas fotovoltaicos.
Catalina Rus Casas, obtuvo su
título de Ingeniera en electrónica
por la Universidad de Granada y
es Doctora en Ingeniería por la
Universidad de Jaén. Es
profesora contratada doctora en
el Departamento de Ingeniería
Electrónica y Automática dentro
del área de Tecnología
Electrónica, en la que imparte
clases desde 1996. Toda su actividad investigadora se ha
centrado en el estudio y monitorización de sistemas
fotovoltaicos. Su formación y experiencia investigadora
también se refleja en contribuciones a la docencia en forma de
más de 25 publicaciones entre congresos y textos docentes, así
como la coordinación, evaluación y participación en casi una
decena de proyectos de innovación docente.
Todos estos trabajos y su preocupación por la calidad en la
docencia le ha merecido la calificación de excelente en su
informe docentia, lo que supone un gran reconocimiento en el
ámbito educativo. Desde el año 2008, ha sido la impulsora y
coordinadora del Plan de Acción Tutorial, para todos los títulos
que se imparten en la Escuela Politécnica Superior de Jaén, en
la que ejerce su docencia.
Juan Ignacio Fernández Carrasco,
ha ejercido su profesión vinculado a
empresas de la automoción como la
planta Ford o Valeo Iluminación. En
las empresas en las que ha
desarrollado su profesión ha recibido
incentivos ligados a su destreza en las
soluciones técnicas planteadas, en el
diseño de protocolos que mejoraban
la producción así como la
optimización de tiempos en las líneas de producción.
Actualmente está vinculado a la Universidad de Jaén en la que
desarrolla su labor de investigación en el Departamento de
Ingeniería Electrónica y Automática, dentro del Centro
Avanzado en Energía y Medio Ambiento, en el que da apoyo
técnico a ocho grupos de investigación de reconocido prestigio.
Su actividad investigadora se ha centrado en la elaboración de
ensayos de sistemas fotovoltaicos de distintas tecnologías.
También ha participado en proyectos de investigación,
contratos con empresas así como la elaboración de prototipos.
Además colabora de manera directa en la docencia práctica de
distintas asignaturas relacionadas con la instrumentación
electrónica y los sistemas fotovoltaicos y en proyectos de
innovación docente ligados a estas materias.
100 G. JIMÉNEZ CASTILLO, C. RUS CASAS, F.J. MUÑOZ RODRÍGUEZ Y J.I. FDEZ. CARRASCO
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
Capítulo 10
Web docente: Soporte para el aprendizaje activo con
Instrumentación Virtual
Iñigo J. Oleagordia Aguirre
Departamento de Tecnología Electrónica. Universidad del
País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea UPV/EHU.
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial.
Bilbao. España.
José I. San Martín Díaz
Departamento de Ingeniería Eléctrica. Universidad del
País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea UPV/EHU.
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial.
Eibar. España.
Mariano Barrón Ruiz
Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática
Electrónica. Universidad del País Vasco / Euskal
Herriko Unibertsitatea UPV/EHU. Escuela
Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial.
Eibar. España.
Title– Educational web: Support for active
learning with Virtual Instrumentation
Abstract– The aim of this work is the edition of
the teaching matherial, using ICTs to study and
to learn as well as the application of the Virtual
Instrumentation in a LabVIEW environment.
The web describes in detail the algorithms, a
modular programming and the elements to
build an instrument based on Virtual
multifunction, which is composed of an
oscilloscope, spectrum analyzer, functions
generator and a digital frecuencemeter. This is
how a teaching methodology shows the efficacy
of 'learning by doing'. A wide range of technical
and didactic links are also pointed, all of them
having been successfully applied before. In the
same way, its implementation is shown by a
result together with an evaluation that
quantifies the teaching quality and its
pedagogic efficacy.
Keywords– Electronic Instrumentation,
LabVIEW, Virtual Instrumentation.
Resumen– El objetivo principal de este trabajo es
la edición de material docente, empleando las
TICs para el estudio, aprendizaje y aplicación de
instrumentación virtual implementada en el
entorno LabVIEW. En la web se describe con
todo detalle los algoritmos, la programación
modular y elemento constructivos de un
instrumento virtual multifunción formado por un
osciloscopio, analizador de espectros, generador
de funciones y frecuencímetro digital. En este
sentido se está empleando una metodología
docente de probada eficacia como es la de
aprender haciendo. También se indican diversos
enlaces de carácter técnico y didáctico
implementados con anterioridad. Del mismo
modo, se muestra uno de los resultados de
aprendizaje consecuentes de su aplicación junto a
una evaluación que cuantifica la calidad docente y
eficacia pedagógica de la misma.
Palabras clave– Instrumentación Electrónica,
LabVIEW, Instrumentación virtual.
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I. INTRODUCCIÓN
Desde una perspectiva generalista y funcional el
contenido de una web docente se puede considerar
como un material docente distribuido a través de la
www, orientado al estudio y aprendizaje mediante
la impartición de una asignatura o materia
universitaria. Son webs de naturaleza didáctica ya
que ofrecen un material diseñado y desarrollado
específicamente para ser utilizado en un proceso
de enseñanza-aprendizaje. Por lo tanto, podemos
confirmar que estos sitios web son materiales
curriculares en formato digital que utilizan la www
como una estrategia de difusión y de acceso al
mismo. En este contexto la página docente se
puede considerar como:
Un sitio web elaborado para guiar o facilitar el
aprendizaje de unos determinados
conocimientos.
Un área web pedagógica, adaptada a los
usuarios, con contenido científico y
tecnológico, comprensible e integrada en un
programa didáctico.
La web docente objeto del presente trabajo se
aplica en la asignatura optativa de Instrumentación
Virtual anteriormente en la titulación de Ingeniero
Técnico Industrial en Electrónica Industrial y en la
actualidad en la titulación de Grado en Ingeniería
Electrónica Industrial y Automática de la EUITI de
Bilbao. Dicha asignatura se imparte mediante la
metodología de Aprendizaje Cooperativo Basado
en Proyectos (AC&PBL). Los antecedentes a este
trabajo se remontan al curso académico 2009/2010
en la experiencia docente centrada en la
planificación, puesta en práctica, evaluación y
análisis de los resultados de un proyecto realizado
conjuntamente con alumnos y profesores de dos
centros universitarios de la Universidad del País
Vasco UPV/EHU [1], [2].
En su aplicación docente la web implementada
pretende ser un factor que ayude a construir y
desarrollar un modelo de enseñanza-aprendizaje
más flexible, con aprendizaje activo, donde prime
más la actividad y la construcción del conocimiento
por parte del alumnado a través de una gama
variada de recursos que la mera recepción pasiva del
conocimiento a través de unos apuntes y/o libros.
Este es uno de los retos pedagógicos de la docencia
en la Universidad del País Vasco UPV/EHU
plasmado en el modelo IKD [3].
Desde un punto de vista pedagógico la interacción
con el ordenador debe permitir un margen más
amplio de iniciativa entre las propuestas del
alumno y las informaciones que recibe del
ordenador para modificar sus propuestas, tomar
conciencia de sus estrategias y poder corregir
algunos de sus errores. De la misma manera debe
inducir en el alumnado un comportamiento más
reflexivo sobre todo en lo concerniente a:
Supervisar su propio aprendizaje.
Comprometerse a generar hipótesis
explicativas.
El ejercicio de la docencia no debe valorarse por el
uso de tecnologías; sino por la promoción de la
reflexión y comunicación que permita la
construcción y aplicación del conocimiento
mediante un aprendizaje activo. Como se ha
indicado, para su aplicación se ha adoptado la
metodología de Aprendizaje Cooperativo Basado
en Proyectos. La experiencia de trabajo en el
pequeño equipo dedicado a la realización de un
proyecto es una de las características distintivas
del AC&PBL. En estas actividades grupales el
contenido de esta web docente pretende incidir en
lo concerniente a:
Generar un pensamiento de mayor calidad.
Proporcionar herramientas para aprender a
pensar.
Utilizar el método de investigación para la
construcción del propio conocimiento.
Crear una teoría de la práctica.
La formación en competencias.
El aprendizaje en la acción (learning by
doing).
II. METOLOGÍA DE DISEÑO DE LA
PÁGINA WEB
A la hora de diseñar e implementar la aplicación,
ha sido necesario seguir un esquema de trabajo
dual que compatibilice tanto el entorno didáctico
como informático. El entorno didáctico relaciona
los objetivos establecidos con los contenidos y
metodología a emplear. El entorno informático
comprende todo el proceso de implementación del
entorno didáctico en un módulo que integre texto,
gráficos y programas con una estructura modular.
Desde la perspectiva didáctica se han tenido en
cuenta los siguientes aspectos:
Finalidad formativa. Esta es la primera
característica. Lo que identifica a un material
multimedia de naturaleza didáctica respecto a
otros sitios web es que ha sido elaborado con la
intencionalidad de producir una serie de
aprendizajes en el alumnado asociados a
diversas demandas y necesidades educativas.
El material ha sido diseñado teniendo en cuenta
no sólo los aspectos tecnológicos de la
asignatura que se imparte, sino también las
características del potencial alumnado.
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102 ÍÑIGO J. OLEAGORDIA AGUIRRE, MARIANO BARRÓN RUÍZ, JOSÉ I. SAN MARTÍN DÍAZ
Combinar la información con la demanda de
realización de actividades. El material, no
sólo debe ofrecer información nocional de
modo expositivo, sino que debe incorporar
actividades que faciliten un aprendizaje activo.
Frente a un modelo de aprendizaje por
recepción, se pretende editar un material que
estimule el aprendizaje a través de la
realización de actividades. Así mismo, el
contenido tiene que integrarse en la
planificación del programa de la asignatura.
Información conectada hipertextualmente.
Entre cada módulo de estudio deben existir
conexiones o enlaces que permitan al alumno ir
de unas a otras. De este modo el acceso a cada
segmento es una decisión que realiza el alumno
según sus propios criterios. Dicho de otro
modo, el material tendrá que organizar
hipertextualmente toda la información para que
el alumnado pueda "navegar" a través del
mismo de forma no lineal y de este modo
permitir una mayor flexibilidad pedagógica en
el estudio de cada módulo.
Permitir el acceso a una variada información.
El material didáctico distribuido por internet,
debe estar conectado o enlazado con otras webs
de la red que ofrezcan información relacionada
con el contenido temático dentro de la unidad
de conocimiento de la asignatura a la que
proporciona soporte. Igualmente, dicho
material debe ser diseñado teniendo en cuenta
que será utilizado en un contexto alejado de la
presencia física del profesor
Dentro del entorno informático, la implementación
de una página, implica seguir una metodología.
Dicha metodología incluye, entre otros los
siguientes pasos: una adecuada formulación del
contenido, definición de los objetivos, análisis de
los recursos disponibles, desarrollo de los
algoritmos, programación de los mismos,
verificación del grado de similitud entre los
resultados obtenidos en el ordenador con el
modelo matemático y la realidad, flexibilidad y
eficacia en el uso de recursos así como
portabilidad y compatibilidad con distintos equipos
informáticos. Para que la página web pueda ser
empleada como un escenario educativo
caracterizado por la representación virtual del
proceso de enseñanza, el entorno informático
converge hacia las siguientes características:
Formato multimedia. El material generado
integra textos, gráficos e imágenes fijas.. Ello
redundará en que el contenido temático sea más
atractivos y motivante al alumnado y por ende
facilitador del proceso de aprendizaje.
Interactividad para el usuario. La
organización del material permite al alumnado
una secuencia flexible de estudio del módulo,
así como distintas y variadas alternativas de
trabajo. Es decir, el material elaborado no
prefija una secuencia única y determinada de
aprendizaje, sino que permite un cierto grado
de autonomía y flexibilidad para que el módulo
se adapte a las características e intereses
individuales del alumnado.
Interface atractiva y fácil de usar. Se ha
pretendido realizar un cuidadoso diseño gráfico
de la página tanto en sus aspectos formales
(color, distribución espacial, iconos, ...) como
en su dimensión informativa para facilitar el
acceso a cada parte o elemento de la web.
La elaboración de material didáctico, en general, y
específicamente una web docente es un proceso
que requiere el desarrollo de un proceso
permanente de planificación, uso y revisión.
Básicamente este proceso se representa en el
diagrama en bloques indicado en la Fig.1.
Fig. 1. Fases correspondientes al desarrollo de la página web.
Análisis y captación de necesidades.
Corresponde a la recolección de los requisitos y
objetivos de cada módulo en particular y de la
aplicación en general.
Diseño del prototipo. Abarca los diseños
pedagógico e informático.
Desarrollo del prototipo. Es una etapa
fundamentalmente informática donde se
implementan los distintos algoritmos que
fundamentan los programas. Esta fase
corresponde a la ingeniería de software donde
se incluyen las etapas características de la
metodología informática utilizada.
Puesta en práctica con el alumnado.
Evaluación. Una vez elaborado el prototipo de
la aplicación se necesita una puesta en práctica
de la misma que permita cuantificar su
operatividad.
Análisis y captación de necesidades
Diseño del prototipo
Desarrollo del prototipo
Puesta en práctica con el alumnado. Evaluación
Revisión y actualización
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WEB DOCENTE: SOPORTE PARA EL APRENDIZAJE ACTIVO CON INSTRUMENTACIÓN ... 103
III. IMPLEMENATCIÓN Y CONTENIDO
DE LA PÁGINA WEB
Fig. 2. Pantalla de acceso a la página web http://www.ehu.eus/es/web/multivir
La URL http://www.ehu.eus/es//web/multivir permite acceder al contenido de la página web cuya
portada se muestra en la Fig.2. El contenido de la
página está articulado en seis secciones:
Proyecto. En esta sección se describe la
integración de la aplicación MultiVIR
(Instrumento virtual multifunción) y la página
web referenciada en el Proyecto de Innovación
Educativa PIE 2011-13 titulado “Plataforma
multifunción basada en instrumentación virtual
para test y medida de circuitos eléctricos y
electrónicos”.
Tutorial. Esta sección es la base de la página
web por lo que se le dedicará un apartado.
Utilización. Se explica brevemente la
funcionalidad de la instrumentación virtual
desarrollada. Para profundizar se ofrece un
manual de usuario en formato pdf.
Descargas. En esta sección se ofrecen diversos
programas fuente y archivos de interés para el
aprendizaje de la instrumentación virtual. Entre
otros se encuentran almacenados todos los
instrumentos virtuales (VIs) que empleando
una estructura modular generan la aplicación
MultiVIR. El código suministrado es una
valiosa fuente de información a partir de la cual
el alumnado, trabajando en equipo
(metodología AC&PBL), desarrolle mediante
un aprendizaje activo sus propios modelos y
proyectos.
Enlaces. En esta sección se muestran diferentes
enlaces de interés relacionados con la
instrumentación virtual. En este contexto es de
destacar el enlace a otra página web:
Adquisición de Datos y Acondicionamiento de
la señal Es un tutorial dedicado
monográficamente a la adquisición de datos y
acondicionamiento de señales con
instrumentación virtual en el entorno
LabVIEW. La exposición de los nueve temas
de que consta el tutorial se acompaña de 35
ejemplos (Vis) implementados. Estos VIs junto
a los esquemas hardware de tres placas
propuestas para realizar experimentos refuerzan
los conocimientos básicos necesarios para
obtener el máximo rendimiento del material
docente que contiene la plataforma MultiVIR.
Contacto. Vía de comunicación con los autores
responsables del proyecto.
Como se puede observar en la Fig. 2 la
estructura del hipertexto permite acceder al
mismo contenido desde varios nodos de la
pantalla cuya funcionalidad se completa con la
pestaña de Opiniones donde los usuarios
pueden emitir sus opiniones.
A. Tutorial
El tutorial se ha dividido en los ocho ítems
siguientes:
I) Introducción. Se describe el entorno de
desarrollo.
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104 ÍÑIGO J. OLEAGORDIA AGUIRRE, MARIANO BARRÓN RUÍZ, JOSÉ I. SAN MARTÍN DÍAZ
Fig. 3. Panel frontal del osciloscopio genérico de dos canales.
II) Instrumento Virtual. Operativamente, un
instrumento virtual es un módulo software que a
través del panel frontal, interface gráfica de
usuario, y mediante subsistemas hardware
integrados en el PC, como una tarjeta de
adquisición de datos (DAQ), en el presente trabajo,
adquiere y/o genera señales, realiza una serie de
medidas, procesado y representación de señales.
Así mismo se muestra el diagrama de bloques
donde se programan los algoritmos que definen la
funcionalidad del instrumento virtual.
III) Osciloscopio. Se describe el diseño e
implementación de un osciloscopio básico genérico
de dos canales. Las explicaciones teóricas se
acompañan de abundante información gráfica. La
adquisición de las dos señales se realiza con una
tarjeta de adquisición NI PCI- 6221. Otra alternativa
así mismo válida es la utilización de una tarjeta de
adquisición basada en un microcontrolador
conectado al PC vía serie o USB. En la Fig. 3 se
muestra el panel frontal.
IV) Operaciones con señales. En el panel frontal, el
usuario tiene la posibilidad de realizar y
representar la suma, resta, producto o división
entre las dos señales adquiridas. La división entre
cero se representa gráficamente con el carácter
especial .
V) Analizador de espectros. En este item, se realiza
el análisis en el dominio de la frecuencia de una de
las señales adquiridas a través de la tarjeta DAQ.
Fig. 4. Representación en el dominio de la frecuencia de laseñal seleccionada.
El usuario podrá escoger con qué canal trabajar. Se
calcula y representa el espectro de potencia y la FFT
de la señal seleccionada, Fig.4.
VI) Generador de señales. Este VI genera de
forma continua dos señales independientes del
tipo: senoidal, cuadrada, triangular y diente de
sierra.
VII) Instrumento digital. La operatividad del VI
implementado es la generación de trenes de pulsos y
el contaje de pulsos, pudiendo emplearse como
frecuencímetro.
VIII) Aplicación MultiVIR. En este último ítem se
describe la integración en un único instrumento
virtual de los módulos descritos en los apartados
anteriores. De esta forma se dispone de un
instrumento virtual multifunción.
La frecuencia máxima de trabajo viene condiciona
por el tipo de tarjeta de adquisición empleada. En
el caso de utilizar la NI PCI-6221 la máxima
frecuencia de muestreo es de 250 kS/s por canal.
Para los dos canales del osciloscopio corresponde
a 125 KS/s para cada canal. En este contexto,
aplicando el teorema de Shanon, la máxima
frecuencia teórica admitida para cada una de las
dos señales analógicas sería de 62,5 KHz, que en
la práctica se reduce a 30 kHz. Igualmente para el
caso del generador de funciones la frecuencia
máxima de cada una de los dos señales generadas
es de 2.5 Khz.
IV. RESULTADOS DE APRENDIZAJE
Siguiendo la metodología docente de Aprendizaje
Cooperativo Basado en Proyectos (AC&PBL), un
proyecto propuesto consistió en el desarrollo de
instrumentación virtual para el test y medida de
circuitos analógicos. En este apartado se describe
brevemente el trabajo realizado fruto de la
cooperación entre varios equipos:
Selección, estudio, análisis y diseño de los
circuitos analógicos a medir y testear.
Diseño y simulación en el entorno Multisim de
los circuitos seleccionados.
Montaje hardware de los circuitos objeto de
análisis.
Desarrollo de la instrumentación virtual a
emplear.
Realización de las pruebas de test y medida.
Análisis de los resultados.
Documentación y exposición de las pruebas
realizadas.
Los circuitos seleccionados corresponden a tres
tipologías: I) Circuitos básicos con amplificadores
operacionales (amplificadores de señal, sumadores,
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WEB DOCENTE: SOPORTE PARA EL APRENDIZAJE ACTIVO CON INSTRUMENTACIÓN ... 105
Fig. 5. Circuito esquemático de un VCO en el entorno Multisim.
Schmitt trigger, etc.), II) Generadores de señales
(senoidal, astable, VCO, etc.), Circuitos basados
en el CI 555 (Astable, Modulador por ancho de
pulso, etc). En total han sido 25 los circuitos
sometidos a pruebas de test y medida. A modo de
ejemplo en las figuras adjuntas se muestran las
señales más representativas de test y medida en un
VCO, Fig. 5, empleando diferentes entornos.
En la grafica de la Fig.6 se muestran los resultados
obtenidos de la simulación operativa de test y
media del VCO en el entorno Multisim cuyo
estudio, análisis, diseño y cálculo se ha realizado
previamente. Completada esta fase se pasa a
implementar el circuito en una placa protoboard y
con instrumentación tradicional se somete al
circuito a las pruebas de test y medida, Fig. 7,
comparándose con los resultados obtenidos
mediante simulación.
De forma concurrente al empleo de la
instrumentación tradicional y con la misma
finalidad se emplea la instrumentación virtual. En
la Fig. 8 se muestran las gráficas de la señales en
los nodos 1 y 2 del esquema del VCO, Fig.5, en el
osciloscopio de dos canales de la aplicación
MultiVIR.
Fig. 6. Señales de test y medida del VCO en el entorno Multisim.
Fig. 7. Señales de test y medida del VCO en un osciloscopio
digital.
Continuando con el empleo de instrumentación
virtual en la Fig. 9 se plasma la captura de las
señales en los cuatro nodos de la Fig 5 con un
osciloscopio virtual de 8 canales implementado
con anterioridad [5].
Del análisis de las pruebas se deduce la
concordancia de los resultados obtenidos mediante
simulación, instrumentación tradicional y virtual.
Así mismo las pruebas de evaluación realizadas
confirman la adecuación docente del entorno
implementado.
Fig. 8. Señales de test y medida del VCO en el osciloscopio del VI MultiVIR.
Fig. 9. Señales de test y medida del VCO en un osciloscopio virtual de 8 canales.
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106 ÍÑIGO J. OLEAGORDIA AGUIRRE, MARIANO BARRÓN RUÍZ, JOSÉ I. SAN MARTÍN DÍAZ
V. EVALUACIÓN
El concepto de evaluación se enfoca desde una
perspectiva funcional, como una actividad
sistemática, válida y fiable sobre la identificación y
análisis de los factores e implicaciones que
modulan la eficacia docente del material didáctico
de la página web implementada. La evaluación se
ha realizado sobre 25 alumnos/as de la asignatura
de Instrumentación Virtual. Esta prueba piloto se
articula en los siguientes apartados:
1.- Sobre la propia página web
Aspectos funcionales, 6 criterios.
Aspectos técnicos, 7 criterios.
Aspectos psicológicos, 2 criterios.
2.- Relacionado con el aprendizaje
El desarrollo y adquisición de habilidades
cognitivas y metacognitivas, 7 criterios.
El desarrollo y adquisición de competencias, 5
criterios.
Se ha elaborado una rúbrica para evaluar cada uno
de los 5 apartados con una valoración de 0 a 10
para cada uno de sus criterios.
Aspectos funcionales
Como se ha referenciado anteriormente, la
funcionalidad de esta página web está ligada al
objetivo principal cual es la edición de material
docente asociado a la enseñanza y aprendizaje
activo con instrumentación virtual implementada
en el entorno LabVIEW. En este contexto, en esta
sección, se han evaluado los siguientes criterios,
Fig. 10:
Eficacia, AF_1.
Facilidad de uso, AF_2.
Accesibilidad, AF_3.
Bidireccionalidad, AF_4.
Carácter multilingüe AF_5.
Múltiples enlaces, AF_6.
Fig. 10.Representación gráfica de las valoraciones
correspondientes a los aspectos funcionales.
Aspectos técnicos
Los aspectos técnicos se relacionan sobre todo con el
planteamiento, construcción, diseño y contenido. Los
criterios evaluados en este apartado son, Fig. 11:
Calidad del entorno, AT_1.
Calidad y cantidad de los elementos multimedia,
AT_2.
Calidad de los contenidos AT_3.
Navegación, AT_4.
Hipertextos, AT_5.
Ejecución fiable, velocidad y visualización de
contenidos, AT_6.
Originalidad y tecnología avanzada, AT_7.
Adecuación al entorno docente, AT_8.
Fig. 11.Representación gráfica de las valoraciones correspondientes a los aspectos técnicos.
Aspectos psicológicos
En este apartado se hace hincapié sobre todo en los
contenidos, así como su extensión y organización,
que sean adecuados a las características (cognitivas,
conocimientos previos, experiencia...) del
alumnado. Para ello se han evaluado los dos
criterios siguientes, Fig. 12:
Atractivo APS_1
Adecuación a los destinatarios APS_2.
Fig. 12.Representación gráfica de las valoraciones
correspondientes a los aspectos psicológicos.
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Desarrollo y adquisición de habilidades
cognitivas y metacognitivas
Este apartado se ha elaborado con el objeto de
obtener indicadores sobre el tipo de tareas y
actividades, que siguiendo la metodología de
aprendizaje cooperativo basado en proyectos
(AC&PBL), se desarrollan en torno a la página
web implementada. El acento está en determinar si
a través de dichas actividades se potencia en el
alumnado el desarrollo de estrategias que estén
relacionadas con los procesos de cómo aprenden,
ponen en práctica lo aprendido y controlan sus
aprendizajes, propiciando el desarrollo de
estrategias tanto cognitivas como metacognitivas
en la acción formativa. En este apartado se han
evaluado los siguientes criterios, Fig. 13:
Fortalecimiento en el alumnado de las
habilidades de investigar, H_1.
Potenciar en el alumnado las tareas orientadas
al trabajo autónomo y capacidad de búsqueda,
H_2.
Fomento en el alumnado de tareas y
actividades asociadas al aprendizaje
cooperativo basado en proyectos (AC & PBL)
H_3.
Refuerzo de habilidades tipo aprender a
aprender, H_4.
Potenciar en el alumnado habilidades de
planificación, H_5.
Desarrollo de tareas y actividades de
enseñanza-aprendizaje de alta demanda
cognitiva (reflexión, análisis, síntesis,
creatividad, H_6.
Fortalecimiento en las tareas de estrategias
metacognitivas tales como hacer consciente al
alumnado de sus estilos de aprendizaje y los
mecanismos por los cuales asimilan y ponen en
práctica el conocimiento, H_7.
Fig. 13. Representación gráfica de las valoraciones correspondientes a
Los aspectos sobre habilidades cognitivas y metacognitivas.
El desarrollo y adquisición de competencias que
se potencian mediante el empleo de la página
web
Este apartado, nos aproximará a conocer el tipo de
actividades que se realizan, en el fondo es verificar
de qué manera se están trabajando los objetivos
que se relacionan con los contenidos basados en
las tecnologías. Los criterios evaluados
corresponden a:
Vincular los contenidos y objetivos curriculares
con las actividades de enseñanza y aprendizaje
conducentes a la adquisición de las
competencias propuestas en la guía docente,
AC_1.
Evaluación de las tareas y actividades
asociados al proceso de enseñanza y
aprendizaje mediante la metodología
AC&PBL, AC_2.
Empleo de la red Internet para la formación del
alumnado, AC_3.
Empleo de los libros de texto complementando
su uso con software educativo y/o recursos
electrónicos, AC_4.
Fomentar el uso del PC, tareas y actividades
abiertas que permitan el intercambio y
confrontación de punto de vista en el alumnado
en el contexto de AC&PBL, AC_5.
En la Fig. 14 se representan los resultados de la
evaluación.
Fig. 14. Representación gráfica de las valoraciones correspondientes a
Los aspectos sobre la adquisición de competencias.
VI. IMPLICACIONES SOBRE EL
APRENDIZAJE
De los resultados de la evaluación descrita relativa
a esta aplicación informática, y de la puesta en
práctica de todo el material docente generado en el
Proyecto de Innovación Educativa “Plataforma
Multifunción Basada en Instrumentación Virtual
para Test y Medida de Circuitos Eléctricos y
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108 ÍÑIGO J. OLEAGORDIA AGUIRRE, MARIANO BARRÓN RUÍZ, JOSÉ I. SAN MARTÍN DÍAZ
Electrónicos”, marco en el cual se ha desarrollado
la misma, en ese apartado se exponen una serie de
reflexiones sobre una propuesta de actuación del
profesorado en el proceso de enseñanza y
aprendizaje del alumnado empleando las TICs.
De forma resumida se puede describir el
aprendizaje como un proceso:
Constructivo donde el alumnado construye
su conocimiento a partir de la activación del
conocimiento previo, material disponible y,
motivación mirando al futuro.
Colaborativo, en el que el alumnado no está
sólo. El aprendizaje se produce en un entorno
con interacción entre los propios alumnos y
éstos con el profesor.
Contextual, el aprendizaje significativo, y su
puesta en práctica, se produce cuando el
alumno otorga significado a lo que está
aprendiendo. El significado se logra cuando se
establece la correspondiente relación con el
contexto y el alumno asimila lo que está
aprendiendo, y sobre todo en ingeniería, pone
en práctica lo aprendido. En ingeniería “saber
es hacer”.
Autodirigido, la iniciativa del aprendizaje
corresponde al propio alumno. Ante este hecho
el profesor, hoy más que nunca, es facilitador
del aprendizaje y un docente debe preparar
oportunidades de aprendizaje para sus alumnos.
Ante el hecho de que el profesorado prepare
diferentes estrategias de aprendizaje, se
proponen una serie de actuaciones por parte del
profesorado, orientadas hacia la adquisición de
competencias, que se exponen a continuación.
A Potenciar el desarrollo de estrategias
cognitivas en el alumnado mediante actividades
tales como:
Fomentar la habilidad de planificación usando
las TICs.
Proponer en el alumnado actividades orientadas
hacia la resolución de problemas en el marco
de las TICs.
Explicar en los resultados de aprendizaje el tipo
de habilidades a reforzar cuando se integran las
TICs.
Desarrollar tareas de aprendizaje de alta
demanda cognitiva tales como reflexión,
análisis, síntesis y creatividad cuando el
alumnado emplea las TICs.
Potenciar en el alumnado tareas, tanto mediante
trabajo autónomo como colaborativo,
orientadas a potenciar la capacidad de
búsqueda de información.
B Potenciar el desarrollo de estrategias
metacognitivas tales como:
Reforzar las habilidades tipo “aprender a
aprender”, en las actividades donde el binomio
enseñanza-aprendizaje incorporen las TICs.
Fortalecer en las tareas con apoyo TIC,
estrategias metacognitivas, tales como hacer
consciente al alumnado de sus estilos de
aprendizaje y sobre todo de los mecanismos
por los cuales asimilan y procesan la
información y por ende adquieren
conocimiento y lo ponen en práctica.
C Estimular el aprendizaje, adquisición de
conocimientos y su puesta en práctica por parte del
alumnado, tales como:
Vincular los contenidos y objetivos curriculares
con las actividades de enseñanza y aprendizaje
apoyados en las TICs.
Utilizar la red Internet para la formación de los
estudiantes.
Trabajar los libros de texto complementando su
uso con software educativo y/o recursos
electrónicos.
Integrar las TICs en la docencia puesto que
incrementa la calidad del proceso de
aprendizaje del alumnado.
La existencia de un equipo docente de
coordinación TIC que asesore al profesorado y
dinamice el uso pedagógico de estas
tecnologías.
D Propiciar la integración de las competencias
básicas en TIC en la estructura curricular donde:
Exista un programa de actuación que asocie las
competencias básicas en las TICs con las
asignaturas de los distintos cursos.
E Planificar las tareas o actividades soportadas
en TICs en actividades tales como:
Planificar con tiempo las actividades con apoyo
de las TICs, en relación con los objetivos, el
desarrollo de la tarea y selección y búsqueda de
recursos didácticos.
Aplicar la misma rigurosidad académica que en
las tareas tradicionales o investigación.
F Especificar con claridad el tipo de tareas o
actividades a desarrollar y aplicarlas
adecuadamente:
Fomentar el uso del ordenador, tareas y
actividades abiertas, individuales y grupales
que permitan el intercambio y confrontación de
puntos de vista entre el alumnado.
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WEB DOCENTE: SOPORTE PARA EL APRENDIZAJE ACTIVO CON INSTRUMENTACIÓN ... 109
Motivar al alumnado para que sea protagonista
de su proceso de aprendizaje.
Poner en valor la necesidad de implementar
eficientemente los recursos sin forzar su empleo.
Detectar los puntos débiles del alumnado.
G Evaluar las tareas o prácticas de aula que realiza
el alumnado con apoyo de las TICs, en actividades
como:
Evaluar los procesos de las tareas o actividades
asociadas a los procesos de enseñanza y
aprendizaje mediante las TICS, que se originan
en los nuevos contextos educativos.
Dejar evidencias de la secuenciación de
contenidos y lo que se está haciendo con las
TICs en cada curso.
Así mismo, durante el curso académico 2012-
2013,en este contexto, se realizó una encuesta
entre el profesorado de la EUITI de Bilbao. De la
plantilla formada por 171 profesores/as
respondieron 147. A modo de ejemplo, en las
Tablas I y II se muestran diversas actividades. En
esta encuesta se excluye el empleo de la
plataforma docente Moodle. En las Fig. 15 y
Fig.16 se representan los porcentajes de las
respuestas afirmativas a las cuestiones planteadas.
TABLA I
Actividad relacionada con la adquisición de conocimientos
AK_1
Vinculo los contenidos y objetivos curriculares con las actividades de enseñanza y aprendizaje
apoyado en las TIC.
AK_2
Evalúo los procesos de las tareas o actividades de enseñanza y aprendizaje con TIC, que se
producen en estos nuevos entornos.
AK_3 Utilizo la red Internet para la formación de los
estudiantes.
AK_4 Trabajo los libros de texto su uso con software
educativo y/o recursos electrónicos.
AK_5
Fomento con el uso del ordenador, tareas y
actividades abiertas que permitan el intercambio y confrontación de puntos de vista
entre compañeros
Fig. 15. Representación gráfica de las valoraciones correspondientes a
la actividad relacionada con la adquisición de conocimientos.
TABLA II
Actividad relacionada con mis propias actuaciones
PA_1
Comparto con los compañeros/as las experiencias
positivas donde utilizo las TIC.
PA_2
Investigo y reflexiono de las prácticas de aula,
con el objeto de mejorar las actuaciones con TIC en el proceso de enseñanza-aprendizaje.
PA_3
Considero que los ordenadores y la tecnología de
medios audiovisuales deben estar integrados en las aulas.
PA_4
Sustento las actuaciones pedagógicas y el uso de
las TIC, en modelos y teorías constructivistas del
aprendizaje.
PA_5 Utilizo las TIC por exigencias de diversa índole.
PA_6
Planifico con tiempo las actividades con apoyo
TIC, en relación con los objetivos, el desarrollo
de la tarea, selección y búsqueda de recursos.
PA_7 Integro las TIC en la docencia porque incrementa
la calidad del proceso enseñanza-aprendizaje.
Fig. 16. Representación gráfica de las valoraciones correspondientes a
la actividad relacionada con mis propias actuaciones.
VI. CONCLUSIONES
1.- De los resultados de aprendizaje y de la propia
evaluación se deduce que este tipo de material
educativo es útil y adecuado para el desarrollo de una
metodología de enseñanza más flexible, abierta y
adaptada a las características individuales del
alumnado facilitando un proceso de enseñanza-
aprendizaje basado en la actividad y construcción del
conocimiento.
2.- La publicación y disponibilidad de estos
materiales en Internet posibilita que el alumnado
universitario pueda acceder a los materiales de
estudio cuando lo desee y desde donde quiera y
en consecuencia desarrollar procesos de
autoaprendizaje a distancia.
3.- La creación de estos materiales docentes Web
permite el desarrollo de proyectos y experiencias
docentes innovadoras basadas en la colaboración
interuniversitaria apoyadas en el uso de las
Tecnologías de la Información y Comunicación.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
110 ÍÑIGO J. OLEAGORDIA AGUIRRE, MARIANO BARRÓN RUÍZ, JOSÉ I. SAN MARTÍN DÍAZ
4.- El proceso de elaboración de los materiales
didácticos electrónicos puede ser una estrategia
adecuada para motivar y formar al profesorado
en el uso pedagógico de las nuevas tecnologías.
5.- Los costes de producción, edición y difusión
de este tipo de materiales se reducen
considerablemente. Los gastos de publicación
electrónica son mínimos comparados con la
publicación impresa o audiovisual. De este
modo, un docente puede actualizar y renovar sus
materiales de forma constante con un ordenador
conectado a Internet.
REFERENCIAS
[1] I. J. Oleagordia, M. Barrón, J. I. San Martín, “Una
Experiencia de Aprendizaje Cooperativo Basado en
Proyectos. I - Aspectos Metodológicos” Seminario
Anual de Automática, Electrónica Industrial e
Instrumentación, SAAEI’11, Actas del Congreso, pp.
597-602, Badajoz, España, 2011.
[2] I. J. Oleagordia, M. Barrón, J. I. San Martín, “Una
Experiencia de Aprendizaje Cooperativo Basado en
Proyectos. II – Prototipo Experimental” Seminario
Anual de Automática, Electrónica Industrial e
Instrumentación, SAAEI’11, Actas del Congreso, pp. 603-608 Badajoz, España, 2011.
[3] IKD (UPV/EHU). [ONLINE] Disponible en:
http://www.ikasketa-berrikuntza.ehu.es/p272-
shikdhm/es/. [Último acceso 29/04/2015.
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evaluación objetiva (cuantitativa) de sedes web. En:
Jornadas. Españolas de Documentación (7ª. 2000.
Bilbao). La gestión del conocimiento: retos y
soluciones de los profesionales de la información
[CD-ROM]: (Bilbao, 19-21 de octubre de 2000).
Bilbao: Universidad del País Vasco: Fesabid,2000.
ISBN 84-7585-919-4; p. 233-248.
[5] I. J. Oleagordia, M. Barrón, J. I. San Martín,
“Plataforma de test y medida basada en PC”
Seminario Anual de Automática, Electrónica
Industrial e Instrumentación, SAAEI’12, Actas del
Congreso, pp. 864-869 Guimares, Portugal, 2012..
[6] J. R. Lajara, J. Pelegrí, “LabVIEW. Entorno Gráfico
de programación” Ed. Marcombo, Barcelona, 2011.
[7] L. Sokoloff “Applications in LabVIEW”. Ed.
Prentice Hall, New Jersey 2004.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se ha realizado en el marco del
Proyecto de Innovación Educativa PIE 2011-2013
investigación DIPE08/20, “Plataforma Multifunción
Basada en Instrumentación Virtual para Test y
Medida de Circuitos Eléctricos y Electrónicos”.
Cod. 6383 en la Universidad del País
Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea UPV/EHU.
Iñigo Javier Oleagordia Aguirre (Bilbao, 1954) Licenciado
en Ciencias Físicas (1977), especialidad en Electrónica y
Automática. Finalizados estos estudios comenzó su carrera
docente en la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) en ingeniería
electrónica. Comenzó investigando en
aplicaciones informáticas aplicadas a la docencia universitaria, realizando la
tesis doctoral Sistema para el diseño de
la simulación, caracterización y control de procesos físicos. (UPV/EHU, 1996).
Su actividad docente e investigadora se
centra en la instrumentación electrónica y la edición de material docente aplicando tecnologías de la información y
comunicación (TICs). Los resultados de las investigaciones se
han publicado en diversas revistas y congresos nacionales e internacionales. También colabora con diversas empresas en
aspectos técnicos y de formación. El profesor Oleagordia
consiguió el Segundo premio en el 1st Concurso Iberoamericano CITA 98 celebrado en Madrid. Actualmente es profesor titular
de universidad.
Mariano Barrón Ruiz(San Vicente de la
Sonsierra, La Rioja 1953). Licenciado en
Ciencias Físicas (1975), especialidad en Electrónica y Automática. Actualmente es
Profesor Titular en el Departamento de
Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU).
Ha diseñado numerosos equipos
destinados a la docencia práctica de los microcontroladores y la electrónica, por los que ha recibido varios premios
(“Electronics Lab”. Second Prize in Design2K Contest y
Premio al Mejor Equipo Hardware TAEE2000; “Personal Electronics Laboratory” Winning Hardware Track in the 1st
European Contest on Microelectronics Education,
2002;“Talking Calculator”, Honorable Mention in AVR 2006
Design Contest). Sus áreas de interés más importantes son:
instrumentación virtual, laboratorios remotos, desarrollos
electrónicos y uso pedagógico de las nuevas tecnologías.
José Ignacio San Martín Díaz (Baquedano, Navarra, 1958).
Obtuvo el Gradode Ingeniero Industrial, especialidad Ingeniería Eléctrica, en la Universidad del País Vasco UPV/EHU, en
2003.En 2009, obtuvo el Grado de Doctor Ingeniero Industrial por la
Universidad del País Vasco.
Actualmente es Director de la Escuela de Ingeniería de Eibar y Profesor Titular
en el Departamento de Ingeniería
Eléctrica de la Universidad del País
Vasco. Sus líneas de investigación están
enfocadas hacia las tecnologías de
Generación Distribuida, Energías Renovables, Micro-redes Eléctricas y Pilas de Combustible.
.
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WEB DOCENTE: SOPORTE PARA EL APRENDIZAJE ACTIVO CON INSTRUMENTACIÓN ... 111
Capítulo 11Entrando en pista. Despegando hacia la ruta de lainnovación docente.
Antoni Perez-PochDep. Ciencias de la Computación
UPC – Universitat Politècnica de CatalunyaBarcelona, España.
antoni.perez-poch(@)upc.edu
Title -- Entering runway. Taking off to the pathof teaching innovation.
Abstract -- When a professor starts a teachinginnovation, she or he faces importantchallenges. Teaching innovation is a riskyendeavor indeed, and, as in aviation, high safetystandards are required. In order to increasesuccess probabilities, it is required to followsome safety procedures before taking off. In thispaper we establish an analogy between anaviation pilot and a teacher carrying out ateacher innovation in the classroom. Ifprocedures are strictly followed, we will safelytake off to this wonderful world of teachinginnovation, and we will enjoy wider horizonsfor us and our students. Most importantly, ourlanding at the end of the course will be thensmooth and safe.
Keyworks – Teaching innovation, course design,active methodologies, motivation, aviation.
Resumen – ¿A qué retos se enfrenta unaprofesora o profesor cuando se lanza a realizaruna innovación docente en su asignatura? Lainnovación docente es una actividad de riesgo yprecisa que trabajemos, como en aviación, conestándares altos de seguridad. Para incrementarlas probabilidades de éxito, es necesario seguirunos procedimientos estrictos antes de iniciar lacarrera de despegue. En este artículoestablecemos una comparación entre losprocedimientos que sigue un piloto de aviaciónantes de despegar; y los que debería seguir undocente antes de ir al aula y cambiar sus
métodos pedagógicos. Si somos capaces deactuar con un método y seguir losprocedimientos, despegaremos con seguridadpor esta maravillosa ruta de la innovacióndocente, disfrutaremos de grandes vistas queampliaran nuestros horizontes, y los de nuestrasalumnas y alumnos... y lo más importante,nuestro aterrizaje a final de curso será suave yseguro.
Palabras clave – Innovación docente, planifica-ción de curso, metodologías activas, motivación,aviación.
I. INTRODUCCIÓN
Desde el principio de los tiempos, hemos oídohablar de una docencia tradicional, con exámenes.Sin embargo, desde hace unas pocas décadas y enparticular, gracias a la implantación del EspacioEuropeo de Educación Superior muchasprofesoras y profesores han ido modificando sudocencia con métodos de aprendizaje activo.
Esta implantación, en general, no resulta fácil yrequiere en primer lugar, el coraje de llevarla acabo. En segundo lugar, necesita de formaciónpedagógica y unas buenas dosis de planificación.Finalmente, es necesaria una evaluación delproceso realizado durante el curso para introducirmodificaciones de mejora. En bastantes ocasiones,además, el docente que con buena voluntad haabrazado las metodologías activas en suenseñanza, se ve abrumado por las dificultades.Éste tiene la presión de dedicar su tiempo a otrasactividades (investigación, principalmente) que engeneral, son señaladas por su institución como más
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prioritarias. Algunos docentes, cansados de lasdificultades y de las controversias queacostumbran a aparecer con los alumnos durante elcurso (planificación deficiente del trabajo,conflictos en los trabajos cooperativos, tareas queprecisan de competencias que no están en temariode la asignatura...) pierden la ilusión inicial oincluso abandonan.
Miguel Valero en [19, 20], por ejemplo, discutelas dificultades de aplicar la técnica de PBL(Project Based Learning) y advierte al docente quesi no está convencido ‘Piénsalo Bien antes deLiarte’. David López en [13] realiza un análisis desu experiencia diseñando una asignatura sinexámenes, llegando a la conclusión que,efectivamente, la docencia tradicional con unexamen final resulta inadecuada desde muchospuntos de vista. Pero eso no significa que el diseñoresulte fácil e indoloro. En efecto, como revelaRichard M. Felder [4], las metodologías activasnos aproximan más al corazón del proceso deaprendizaje. Esto significa que el profesor vivirámás de cerca las experiencias de aprendizaje de susestudiantes, lo cual puede ser más enriquecedor,pero también más arriesgado.
También debemos mencionar que los propioscurrículos y nuevos planes de educación que seestán implantando en distintos países hacen énfasisen la calidad docente. Este mandato conllevamuchas veces cambios metodológicos en lasasignaturas que los docentes no pueden evitar,como exponen Song H. Guang y colaboradores[9]. Otros autores, como Rose M. Marra y TimWheeler [14], inciden en la necesidad de unabuena planificación de la docencia para conseguirque la motivación de los alumnos aumente.
En este artículo realizamos una comparaciónentre los procedimientos de la aviación general yaquellos recursos pedagógicos que recomendamospara iniciarse en la innovación docente.Planteamos una analogía entre un vuelo en avión yun curso académico.
Empezamos por todo lo necesario antes de subiral avión. La planificación de vuelo (curso docente)es importante y mencionamos el modelo de la sillacon cuatro patas de Miguel Fidalgo. Seguimos conla lista de chequeo antes de despegar, describimosla necesidad de realizar un plan de vuelo previo alviaje, explicamos diferentes procedimientos aseguir durante el trayecto, y finalizamos con unprocedimiento de aterrizaje fiable y seguro. Paraacabar, presentamos la necesidad de reflexionar alfinal de curso sobre la experiencia realizada.
Esperamos que esta lectura pueda resultar deutilidad, y que anime a los docentes indecisos aperder el ‘miedo a volar’ o mejor dicho, a ‘innovaren el aula’.
II. ¿ESTOY PREPARADO?
A. LA DECISIÓN DE INNOVAR
Carlos Camiña y colaboradores en su ‘Decálogo dela innovación docente’ [2] empiezan su lista derecomendaciones hablando de convicción. Detodos es conocida la valoración que le dan lasuniversidades españolas a la dedicación de suprofesorado a la innovación docente. Pero de loque se trata es, en el fondo, de ampliar el campo demiras y por tanto, preguntarnos cuál es el sentidode la función docente. Ésta debería ser que elalumno aprenda más y mejor, ni más ni menos.Para arrancar a volar debemos tomar esa decisión.
No hay vuelta atrás una vez se está en el aire, yla decisión de irse al aire requiere decisión.Pilotamos un avión no sólo porque queremoscubrir un trayecto de forma más rápida que contren o por carretera. Lo hacemos porque amamosnuestra profesión. Salir a volar no es unaobligación, es una opción y una filosofía docente.
B. FORMACIÓN Y ENTRENAMIENTO
¿Se atrevería usted a volar con un piloto que notiene formación? Los parámetros de seguridad dela aviación requieren altos niveles de formación yun mínimo de horas de vuelo para otorgar unalicencia de tripulación. Para obtener esta licencia,el piloto deberá haber volado solo un mínimo dehoras en ruta para ser autorizado a pilotar un avión.Del mismo modo, no es aconsejable lanzarse alaula a hacer un puzle o cualquier innovacióndocente sin un mínimo de formación previa. LosInstitutos de Ciencias de la Educación de lasuniversidades disponen de programas deformación a medida y de cursos específicos.
Existen además, numerosos tratados clásicosque podemos consultar para conocer las bases deestas metodologías [10, 11, 15]. Una lectura previaa estos manuales nos ahorrará muchos errores ytiempo de dedicación.
Pero no es aconsejable empezar a innovar solo,por supuesto. Los pilotos empiezan a volar en lacabina con un instructor al lado antes de soltarse.La experiencia práctica y los consejos delinstructor son insustituibles. El instructor se haenfrentado antes a situaciones difíciles y guía alalumno piloto en sus primeros intentos de dominara la máquina de volar. Júntese con alguien quelleve tiempo con los métodos activos deenseñanza. Mejor aún, únase a una comunidad dedocentes, como RIMA-UPC [18], y discuta susinquietudes con ellos. Empiece el cursoacompañado, si es posible. Se sentirá menos solo ycometerá menos errores.
Fíjese en el modelo de la silla (Figura 1) quepropone Ángel Fidalgo [5]. La innovación docente
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descansa sobre cuatro patas: personas, procesos,tecnología y conocimiento. Si falla una pata, lapráctica en el aula quedará coja. La pata delconocimiento no sólo se refiere al temario.También interesa conocer la base metodológica delas actividades del aula.
Figura 1: Modelo de la silla para la innovación docenteen el aula.
En este modelo se enfatiza además laimportancia de la secuencialidad en laconstrucción de una innovación docente. ¿Por quépata deberíamos comenzar a construir la silla?Ángel Fidalgo recomienda empezar por la pata delproceso. Estamos inventando pedagogía, y latecnología debería ser el soporte de todo, así queserá la última pata que se adaptará al resto.Seguiríamos con la pata del conocimiento. Elconocimiento es aquello que vamos a transmitirmediante el proceso. Y en tercer lugar, laspersonas, hacia las cuales va dirigido elconocimiento.
Desde tiempos inmemoriales el entrenamientoen cabina avanzada requiere de un módulo de“trabajo en equipo” o cabin-crew management. Setrata de establecer una serie de procedimientospara gestionar los recursos humanos en la cabina.
Actualmente acostumbran a volar dos, piloto yco-piloto, con lo que la experiencia se reduce asincronizar y gestionar jerarquías. ¿Ha tenido laexperiencia de dar clase con otro docente en elaula? Es increíblemente complicado coordinarse.El concepto de ‘piloto al mando’ viene aquí alcaso. Pueden haber dos o más personas a losmandos, pero sólo uno tiene el mando de laaeronave en un momento dado. Pero empecemospor el principio. ¿Sobre qué patas apoyará eldiseño de su innovación en el aula?.
C. BRIEFING Y REVISIÓN PRE-VUELO
El mundo aeronáutico está lleno de vocablosanglosajones que tienen difícil traducción. Uno deellos es el briefing de vuelo. Se denomina briefing(Figura 2) a aquella reunión previa al vuelo en laque se determina la ruta y las características de laoperación. Nada debe dejarse al azar, porque luego
cambiar algo cuando ya se está en el aire es muchomás complicado. Dicho de forma sencilla, salir ainnovar al aula improvisando es como salir a volarsin saber por dónde ir. Si en vez de explicar en lapizarra una clase magistral queremos dedicartiempo a realizar otras actividades en el aula,deberemos milimetrar bien el tiempo y nuestrosrecursos, y si es necesario coordinarnos con otrosmiembros de nuestra tripulación.
Figura 2: El briefing antes de ‘salir a innovar’es imprescindible.
La revisión pre-vuelo, el briefing, es algo quecualquier alumno piloto aprende a hacer desde elprimer día [7, 8]. ¿Por qué hay que hacerla aconciencia? Porque nos va la vida en ella. Sisalimos a volar sin apenas gasolina en el depósito,o unos flaps que no se desplegan, luego nopodremos remediar el error sin una emergencia. Ylas emergencias son sustos que, en buena medidase pueden evitar. Es muy raro que lleguemos aponer nuestra vida y la de los alumnos en peligroen el aula, cierto. Pero quizás podemos aprenderalgo de lo que hacen los pilotos. Éstos no salen avolar sin haber revisado concienzudamente quetodo les va a funcionar perfectamente. ¿Hemosrevisado bien la tecnología del aula para que nonos falle en directo? ¿Llevamos todos losdocumentos que necesitamos? ¿Hemoscomprobado que los ordenadores que vamos a usaren laboratorio funcionan y tienen los programasrequeridos debidamente instalados? Seguro queusted sabría hacerse con una lista de chequeo amedida antes de salir del despacho para el aula declase.
La planificación de un vuelo en condiciones demodo visual (VFR) presupone que el piloto tienevisibilidad suficiente para llevar a cabo decisionessin depender exclusivamente de los instrumentos.Para llevar a cabo esta planificación es necesariodisponer de las fichas de aproximación de losaeropuertos de salida y destino. Necesitamostambién un mapa aeronáutico de la zona, y de unaregla aeronáutica especial (plotter) para poderdibujar nuestra ruta aérea sobre el mapa. En laruta se definirán siempre unos puntos intermediosde paso. Estos puntos definen una altura, a unadeterminada localización sobre el terreno, sobre
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los cuales está previsto que pase nuestra aeronaveen un momento determinado (Figura 3). Lospuntos intermedios son esenciales para que elpiloto pueda comprobar si se está desviando de suruta (por efecto, por ejemplo, de vientos laterales),si está tardando a más o menos velocidad de ladebida (por ejemplo, por efecto de vientosfrontales o de cola). Del hecho de que el depósitode gasóleo tiene una capacidad limitada sedesprende la importancia que tiene estaplanificación. Desviarnos mucho de la ruta puedesuponer una grave emergencia en vuelo. ¿Quépuntos intermedios define usted en su cursoacadémico? ¿Ha calibrado la oportunidad depruebas o entregas parciales?
Figura 3. Carta aeronáutica y plotter para trazar rutas aéreas.
Aunque la ruta más corta entre dos puntos essiempre la línea recta, es habitual en aviacióngeneral que los puntos intermedios se hagancoincidir con referencias de fácil visualización.Ello hace que el piloto se sienta más cómodo sipuede ver con rapidez el siguiente puntointermedio, y previene posibles cielos cerrados quedificultan la visibilidad. A veces también esrecomendable evitar sobrevolar una montaña, oevitar espacios aéreos restringidos. ¿Comprobaráen un control parcial todos los conocimientosposibles, o se centrará en aquellos que den másvisiblidad al progreso del alumno? Bien, coja elcalendario del curso y prepare su regla para trazarla ruta hacia el destino. ¿Por qué puntosintermedios va a pasar? ¿A qué velocidad decrucero deberá poner su curso en marcha parallegar en punto a cada uno de los puntos?
D. POR LA PISTA DE RODADURA
No se olvide de ‘pedir permiso a torre decontrol’ antes de ‘salir a rodar’. En un aeropuertocontrolado, el piloto no puede salir con su avióncomo lo haría un conductor para salir del garaje.Hay que, primero, introducir un plan de vuelo, éstedeberá ser aprobado por los controladores aéreos, yluego, deberemos solicitar permiso para movernos.¿Ha mirado la normativa académica de su
Universidad? Quizás quiere poner una actividadobligatoria a realizar en clase. Y quizás quiereasegurarse que un alumno que no venga a clase, ono se tome interés en participar, no pueda aprobarpor otras vías. Es una buena idea que impide losescaqueos, pero a veces las normas de laUniversidad obligan. Y le pueden traer problemasque hagan que, aunque su idea sea muy buena, lastrabas administrativas le compliquen la vida [20].Asegúrese de que su innovación no va aencontrarse con esas trabas, y que, utilizándolalegítimamente, los alumnos no se podrán desviarde la ruta que usted ha planificado. Nunca hayatajos buenos en el aire.
¿Ha arrancado ya el motor? ¿Está autorizado arodar hasta la cabecera de la pista? Bien,compruebe mientras rueda que los instrumentosfuncionan adecuadamente y ¡adelante!
III. ENTRANDO EN PISTA
Antes de entrar en la pista de despegue, el pilotodebe detener la aeronave. Sólo con una nuevaautorización de los controladores aéreos podráentrar en ella (Figura 3). Es el momento paraasegurarse de nuevo que todos los sistemas estánfuncionando. Una nueva lista de chequeo,obligatoria, deberá seguirse para evitar cualquierproblema en el aire [7, 8]. ¿Qué cosas no debeolvidar de comprobar un profesor antes de iniciarel curso? ¿Qué necesita comprobar?
A. LISTA DE CHEQUEO ANTES DELDESPEGUE
Fíjese en la lista de chequeo real de la figura 4. Enrealidad, es una lista múltiple. Existe una lista dechequeo para cada una de las situaciones de vuelo,desde que encontramos la aeronave durmiendo enel hangar, hasta que apagamos el motor en destino.Para simplificar, no iremos tan lejos.Propondremos una sola lista para la revisión quesiempre se hace justo antes del despegue, antes deentrar en la pista principal. Cada modelo deaeronave tiene una lista distinta, y en ocasiones seadapta a su contexto de uso. Pero al piloto nuncava a olvidársele la lista a bordo. La lleva impresa,o bien cargada en un dispositivo lector electrónico,y la canta en voz alta, conforme hace cada uno delos ítems, sin saltarse ninguno. Las prisas no sonnunca buenas consejeras, y muchos accidentes sehan evitado por seguirla estrictamente. La culturade la seguridad es algo que podemos incorporarfácilmente y de forma progresiva a nuestroshábitos.
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Figura 4. Lista de chequeo real de una avioneta.
A continuación le proponemos una lista parainiciar el curso académico. Quizás obtenga algunaidea con ella para iniciar las clases con seguridad.¿Añadiría algo a esta lista? ¿Cómo la adaptaría asu asignatura?
1. Hoja de ruta. Hemos realizado laplanificación del curso. La planificaciónincluye qué hacer en clase y fuera de clasecada semana. Es flexible, y todos nuestroscompañeros de curso la conocen.
2. Destino. Tenemos claro los objetivos delcurso. Están escritos y forman parte de la guíadocente. Son públicos, consensuados y losllevamos con nosotros. Las actividades se handiseñado en función de estos objetivos.
3. Radio sintonizada y en funcionamiento.Tenemos abiertos canales de comunicacióncon los alumnos, mis colegas y la dirección.En caso de cualquier duda o fallo evitaremosque las actividades se mueran por falta dediálogo. Además, nos hará falta pedagogíacomunicativa porque no a todo el mundo legustan las actividades participativas en elaula.
4. Prueba de motor. Se prueba que el motor omotores funcionan a plena potencia. ¿Hemoshecho alguna prueba piloto? ¿Hemos sidocapaces de probar la actividad antes deempezar el curso? Los tests son útiles. Si elmotor no da la plena potencia, se aborta eldespegue, sí o sí.
5. Sistemas de navegación. ¿Cómo probarédurante el curso que no me estoy desviandode la ruta programada? No es imprescindibleun GPS, pero sí mirar periódicamente a labrújula. La brújula es un instrumento que mesirve para ir comprobando mi ruta durante elcurso. Pueden ser evaluaciones parciales,métodos puntuales para entender el avancey/o la opinión de los alumnos o simplescomprobaciones que signa la materia.Conocemos nuestros sistemas de navegación,y no nos fiaremos sólo de la visión directa ysubjetiva del aula para orientarme, una vezhaya empezado el curso.
6. Altímetro. Enrasado, calibrado yfuncionando. Los altímetros funcionan apartir de medidas de la presión atmosférica yésta es variable. Debemos conocer la alturalocal y la presión local para no tener medidaserróneas. Antes de empezar, preguntémonos:¿conocemos a nuestros alumnos? ¿Qué nivelinicial tienen? ¿Qué esperan del curso? ¿Quéestilo de aprendizaje presentan? Laevaluación inicial más que unarecomendación es una necesidad. Evitará queluego no sepamos si estamos subiendo obajando en la ruta del aprendizaje.
7. Alerones y flaps. Son los sistemas móvilesque me permitirán moverme en vuelo. Losflaps son dispositivos hipersustentadores quenos permiten mantenernos en el aire a pesarde volar despacio. Y es que nuestrasustentación depende sobre todo de lavelocidad a la que volemos. Las metodologíasactivas son como los flaps Me permitenenseñar mejor, e ir más despacio para queaprendan todos más y mejor. ¿Hemoscomprobado que sabemos manejar bien lasactividades del aula? Sea el aprendizajecooperativo, el aprendizaje basado enproyectos, la técnica del puzle, el ePortfoliodel estudiante u otras metodologías activas...¿estamos convencidos de que tenemos el tactopara manejarlas? ¿Ha probado con uninstructor como responden a los mandos?
8. Puertas cerradas y aseguradas. Pareceráuna tontería por obvia, pero es fundamental.En vuelo no se puede estar cerrando laspuertas que han quedado abiertas. Nos hemosasegurado de que nuestro sistema deenseñanza está asegurado contraperturbaciones externas. Estamosconvencidos de que funcionará, porque hemosestudiado a fondo, nos hemos formado y lametodología docente que probamos está másque comprobada. Por eso nuestro avión tienesu certificado de aeronavegabilidad, porquealguien, el piloto de pruebas, lo ha probadoantes en vuelo.
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9. Meteorología. Antes de salir a rodar hemoscomprobado cómo está la previsiónmeteorológica. Volvamos a comprobar la ruta.¿Hemos previsto alguna incidencia durante elcurso? ¿Vamos a perder clases por algunaincidencia? ¿Nuestros alumnos tienen claroque no pueden sustituir nuestras actividadespor otros atajos para aprobar? Si meencuentro un imprevisto, ¿tengo un plan Bpara continuar? La ruta aérea estará diseñadapara que los alumnos no tengan otro remedioque aprender durante el vuelo. Recuerde, enderecho aeronáutico hay una sola persona abordo de la aeronave que lleva el mando y laresponsabilidad, y ésta es el piloto. Usted.
10. Nivel de gasolina. Curiosamente, no hay otramedida más transcendental. Sin gasolina, nohay motor que funcione. Los pilotos seaseguran muy bien que el nivel sea elsuficiente, y que la gasolina no está aguada,con un medidor específico. ¿Tiene lasenergías cargadas para el curso? ¿Su nivel degasóleo es el requerido y lleva reservas paraun imprevisto? Realizar actividades en el aularequerirá más esfuerzo y probablemente másestrés, ya que el contacto directo con losalumnos será mayor que en una clasemagistral.
11. Instrumentos. El piloto, en vuelo de modovisual (VFR) chequea de forma intermitentelos instrumentos de vuelo: el altímetro, elindicador de rumbo, el indicador de actituddel avión,e tc. Se trata, en efecto, de unaevaluación continua de los parámetros devuelo. ¿Quién puede negar que es mejorhacerlo así que no mirar sólo al final si nosestamos desviando de nuestro rumbo? Elexamen final, como veremos, es el aterrizajede nuestra aeronave. Pero antes, es muyrecomendable evaluar de forma continua sinuestros alumnos se desvían de su destino.Use los instrumentos. Haga evaluacionesparciales y sobre todo, tome medidas atiempo. Es mejor hacer pequeñasrectificaciones en el curso del viaje, quedeclarar emergencia porque estamos perdidosal cabo de muchas semanas de curso.
12. Mezcla del carburador Si usted piensa enel carburador de un coche, sabrá que mezclaaire con gasolina. En los aviones concarburador, pasa lo mismo, pero comosubimos y bajamos en el aire, la densidad delaire no es la misma a lo largo del viaje(Figura 5). Este efecto es suficientementeimportante como para que el piloto debaregularlo a lo largo del vuelo. Es necesarioque la mezcla de aire y gasóleo se mantengaconstante para asegurar un rendimientoapropiado del motor. En consecuencia, alsubir el avión el piloto debe empobrecer la
mezcla, es decir, debe aumentar la proporciónde gasóleo para compensar el hecho quearriba hay menos aire entrando en elcarburador. Al bajar, el efecto es el contrario yhay que enriquecer la mezcla. ¿Y usted, enqué proporción mezcla la explicación deconceptos con la realización de actividades enel aula? ¿Al principio, no deberíamosempezar dando una formación inicial paramás tarde dejar volar a los alumnos? ¿Cadacuanto revisa si la mezcla de teoría yactividades es la correcta?
Figura 5: La mezcla gasóleo/aire en el carburador debeser ajustada en vuelo.
No se asuste por tener que usar una lista dechequeo en el aula. Éste es un procedimiento deseguridad tan simple como eficaz. La lista debeestar escrita, hay que leerla en voz alta y hacercada comprobación secuencialmente. Si fallacualquier ítem, entonces tiremos para atrás. Losaccidentes se evitan con listas como ésta. La listano es una tarea rutinaria, sino una herramientabásica de seguridad. Adapte su lista a su realidaddocente, y sígala, le dará seguridad y confianza enel aula.
B. AUTORIZADOS A DESPEGAR
Si se ha seguido la lista de chequeo y está todoconforme, llega el momento de llamar a la torre decontrol y avisar que estamos listos. Normalmenteel procedimiento implica una espera adicional encaso de que la pista (Figura 6) esté ocupada.Bueno, para el docente este proceso acostumbra aconsistir en comprobar el horario, y pedir la llavepara el aula.
¡Empieza el curso! Sólo queda dar motor afondo y levantar el morro cuando se alcance lavelocidad requerida. El despegue es fácil, peropara muchos pilotos es la parte más complicada ydelicada del vuelo.
Recuerde pues, el inicio del curso es clave.Aproveche las primeras clases para motivar, paraexplicar la ruta, para que a nadie le entren ganas dedesertar. Una vez en vuelo, ya no está permitidobajarse.
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Figura 6: Cabecera de pista del Aeropuerto internacional deEl Prat (Barcelona).
Existe un dicho en aeronáutica que dice‘velocidad y altura protegen la dentadura’. Enefecto, un accidente es más peligroso cuandoestamos cerca del terreno y a poca velocidad,como es el caso del despegue, ya que el pilototiene menos margen para corregir y preparar unaterrizaje de emergencia.
IV. EN RUTA HACIA DESTINO
Para Joe Miró [16] la labor de un profesor es ‘uncamino de fe, al que sólo la sed le alumbra’. Elsignificado de su frase se puede interpretar comoque el profesor cree firmemente en su vocación, yno cambiaría su profesión por nada. Algo parecidole pasa al piloto, que tiene confianza plena en latecnología y en sus aptitudes para volver a tierra deforma segura. Esto sólo se consigue a base deformación previa y planificación.
Pongámonos en ruta. Supongamos que se tratade un piloto ‘profesor novel’ con menos de 100horas de vuelo y que su aparato no dispone delllamado ‘piloto automático’. Si el avión estáoperado en modo visual (VFR), lo cual significaque los instrumentos son sólo consultivos, estaráobligado a mantener la vista en el exterior. ‘Mirarfuera y volar el avión’ es un mantra que repite elinstructor de vuelo al alumno piloto en susprimeras horas a los mandos. ¿Por qué? Porque esfácil desviarse de la ruta debido a mil variablesdistintas: la velocidad y el sentido del viento, lapropia deriva del aparato, no meterse dentro denubes, etc. El piloto habla muy poco y observamucho. Como escribe Don Finkel [6] en ‘Dar clasecon la boca cerrada’, el buen docente tambiéndebería hacer algo similar: observar, hablar poco ysi acaso hacer intervenciones puntuales.Intervenciones que ‘corrijan la desviación de laruta’ o la ‘altura programada’. ¿Cómo evolucionala comunicación del profesor? El docente deberíahablar mucho al principio (el equivalente a hacerun ‘briefing’ a la clase), y mucho al final (elequivalente al ‘debriefing’ que se explica en elsiguiente apartado’). Y entremedio, dejar que losalumnos lleven su propia ruta de aprendizaje, eirlos guiando con pequeños toques de atención.
¿Disfrutamos volando? ¿Y enseñando? Sí, perosólo en momentos puntuales. Hay mucha rutinapara un piloto experimentado, con pocosmomentos de felicidad y (ojalá que pocos)momentos de fuerte estrés cuando se sobrevieneuna emergencia. ¿Y para el docente? Para disfrutarde la profesión, el buen maestro aprecia, enpalabras de Joe Miró [16], ‘éxitos ocasionales, quetienen cara y ojos y sonríen en mitad de un mar dedudas’. En efecto, uno de los placeres del pilotoconsiste en mirar al exterior cuando ya tiene elrumbo dominado y el avión estable. En vuelo abaja altura, como es en el caso de la aviacióndeportiva, se goza de una vista del terreno quecolma los sentidos, y que no se tiene nunca desdetierra. Veremos una nueva perspectiva del territorio(Figura 7) que muchas veces nos sorprenderá.
Figura 7: Perspectiva inédita del Circuito Barcelona-Catalunya de Fórmula 1, vista durante la aproximación al
Aeropuerto de Sabadell.
Esta perspectiva es tal que nos muestra ademásdel trayecto (‘temario de la asignatura’) una terceradimensión en la que aparece el relieve (‘colinas,valles, ríos y mar’). Y con el relieve se manifiestanaspectos que forman parte de la realidad delaprendizaje y que nos dan una visión global delproceso. ¿Está a mitad del curso? ¿Le agobian loshorarios y las rutinas del cuatrimestre? Párese unmomento y observe a los alumnos mientrastrabajan. ¿Qué ha descubierto de nuevo? ¿Hay unacolina o un valle escondidos que no sabía queexistían? ¿Con qué profundidad conoce cómoestán aprendiendo los alumnos?
V. PROCEDIMIENTO DEATERRIZAJE
El procedimiento de aproximación al aterrizajese inicia con mucha antelación. Si lo comparamoscon un cuatrimestre académico de 15 semanas declase, podríamos situar el inicio de esta fase en lanovena semana. De acuerdo con la ‘Guía para elprofesor novel’ publicada por la Asociación deEnseñantes Universitarios de la InformáticaAENUI [3], por esas fechas, más de la mitad de lanota debería estar decidida. Así que en realidad, elaterrizaje de un avión: donde se decide casi todo,es el momento más arriesgado donde el piloto se
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ENTRANDO EN PISTA. DESPEGANDO HACIA LA RUTA DE LA INNOVACIÓN DOCENTE 119
juega su reputación. Lo mismo le pasa alestudiante con un examen final.
De todos es conocido que a un piloto se le juzgapor lo ‘suave’ que es un aterrizaje. Una ‘toma dura’se juzga severamente, y no digamos un aterrizajefrustrado (Figura 8). A un estudiante, se le juzga,obviamente, no por lo que sabe, sino por lo quedemuestra en los exámenes.
Sin embargo, si la planificación del vuelo hasido la correcta, y el piloto ha realizado un buennúmero de ‘touch and go’ el aterrizaje acabasiendo una rutina donde el placer del viaje ya hasido adelantado. Un ‘touch and go’ es unentrenamiento de aterrizaje basado en aterrizar yvolver a despegar en una pista de entrenamiento.
Figura 8: En corta final para aterrizar en el Aeropuertode Sabadell.
Así que si su asignatura está diseñada para quelos alumnos no puedan escapar del aula sin haberaprendido, poco debemos preocuparnos por elexamen final, el aterrizaje por excelencia delmundo académico. De hecho, al final del curso losalumnos ya sabrán si están para aprobar o no. Elresto será buscar atajos, y los atajos, como todossabemos, no existen en el aire. O se aterriza conseguridad, o no hay copias que valgan.
Hay innumerables evidencias de que el uso demetodologías activas en el aula mejora elrendimiento académico y la satisfacción de losestudiantes por la docencia recibida [17]. Sinembargo, ser capaz de realizar un vuelo conseguridad solo y aterrizar con suavidad requierepaciencia, horas de entrenamiento y muchamotivación para conseguirlo. Algunos autorescomo Paul Kirschner y Jeroen J.G. vanMerrienboër [12] argumentan además que conponer el centro del proceso de aprendizaje en elestudiante no es suficiente. El docente debe daruna formación previa sobre el tema, y poner lascondiciones para que el aprendizaje efectivorealmente se produzca.
¿Ha terminado ya el curso? Es la hora deldebriefing. Éste es el nombre anglosajón con quese conoce la reunión post-vuelo que realiza latripulación una vez el viaje ha finalizado.Evaluemos el vuelo, miremos qué decisioneshemos tomado antes y durante el trayecto. ¿Noshemos equivocado en algo? ¿Cuáles son laslecciones que hemos aprendido? ¿Podemos
realimentar el diseño del nuevo curso con nuestraexperiencia? Quizás es la hora de aprovechar losmeses de verano para asistir a algún curso o tallerde formación docente. O mejor aún, asistir aalguna jornada de innovación docente o congresoeducativo donde podamos intercambiar nuestrasexperiencias, como JENUI [21].
VI. CONCLUSIONES
Nuestra experiencia cotidiana con la aviacióncomercial tiene casi todo lo desagradable que tienevolar: retrasos, controles de seguridad, colas paraembarcar, restricciones de equipaje, espaciolimitado... Además, muchas veces no podemosapreciar el paisaje desde altura porque el aviónvuela rutas por encima de nubes que dificultan verel terreno. Nuestro rol como pasajeros del aire estotalmente pasivo, lo cual acentúa además el‘miedo a volar’.
En cambio, con la aviación deportiva pasamos aocupar un rol protagonista y activo. No tenemos nicolas ni apenas controles de seguridad, y, despuésde un período de entrenamiento todos los miedosdesaparecen. El resultado es una experiencia devuelo totalmente nueva, en la que tenemos unconocimiento y experiencia mucho más cercana dela aeronave y del trayecto aéreo. Además, gozamosde vistas del paisaje a baja altura realmentepreciosas, que nos dan una perspectiva de nuestroterritorio y quizás más allá.
El curso puede ser también muy rutinario, ylleno de experiencias poco motivadoras que nospuede desanimar y convertir nuestra profesióndiaria incluso en desagradable. Decidirse a innovarconsiste en transformar nuestra experiencia en algoparecido a la aviación deportiva. Requieredecisión, trabajo, y en la universidad quizás novaloren sus horas de vuelo en una avioneta. Pero sise asume el riesgo, las ventajas son muchas, tantopara el docente como para los alumnos.
¿Cómo ha ido su curso con innovacionesdocentes en el aula? (Figura 9). ¿Ha sidosatisfactoria la experiencia? ¿Ha experimentadoalguna de las analogías que hemos descrito con laaviación alguna vez en el aula? A pesar de lasdificultades, ¿volvería usted a volar?
Figura 9: Reflexionar conjuntamente sobre ladocencia abre nuevos horizontes.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
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Si este artículo le ha servido para reflexionar ytener quizás una o dos ideas más para mejorar suexperiencia en el día a día de su quehacer docentenos daremos más que por satisfechos. Y por favor,háganos llegar sus comentarios y sugerencias a ladirección de correo de la cabecera. ¡Buenosvuelos!
REFERENCIAS
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[21] Jornadas Nacionales de Enseñanza Universitariade la Informática JENUI. Consultado el 12-1-2015 en: http://jenui2015.uols.org/
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a la escuela de pilotos del AeroclubBarcelona-Sabadell las enseñanzas recibidas. De lamisma manera debe reconocerse a los compañerosde docencia de la EUETIB y al Instituto deCiencias de la Educación de la UPC por losconocimientos y motivación transmitidos. Lacomunicación ha sido posible gracias a una ayudaeconómica de la EUETIB.
Crédito de figuras: (1) M. Fidalgo, (2) AustrianAirlines, (4) Surecheck Ltd., (7 y 8) AeroclubBarcelona-Sabadell, y (9) GIAC-UPC.
Inmaculada Plaza y Martín Llamas Nistal, editores TICAI 2013-2014: TICs para el Aprendizaje de la Ingeniería. ISBN 978-84-8158-690-9 ©IEEE, Sociedad de Educación: Capítulos Español y Portugués
ENTRANDO EN PISTA. DESPEGANDO HACIA LA RUTA DE LA INNOVACIÓN DOCENTE 121
Esta comunicación fue presentada en formatoabreviado a JENUI 2014 (Oviedo, España),Jornadas Nacionales de Enseñanza Universitariade la Informática.
Antoni Perez-Poch. Profesor einvestigador en el departamento deCiencias de la Computación de laUniversitat Politècnica de Catalunya(UPC) en Barcelona, España. EsFísico e Ingeniero Superior enElectrónica por la Universidad deBarcelona. Posee también latitulación de Ingeniero en Informáticapor la UOC. (Universidad Abierta deCataluña). Recibió su título de piloto
privado de aviación (PPL-A) en 2004 y posee un diploma depostgrado SSP por la Universidad Internacional del Espacio(ISU, Nasa Ames, 2009). Sus áreas de interés son lainvestigación educativa, la investigación de procesos enmicrogravedad y el procesado digital de imágenes médicas.
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